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亿级用户PC主站的PHP7升级实践

InfoQ · 公众号 · 科技媒体 · 2016-11-22 08:00

正文

作者丨侯青龙

编辑丨尾尾、Cindy

“

伴随业务的增长，系统压力也在不断增加，再加上机房机架趋于饱和，无法更加有效应对各种突发事件。在这样的情况下，PC主站升级为PHP 7，有哪些技术细节可以分享？

背景

新浪微博在2016年Q2季度公布月活跃用户（MAU）较上年同期增长33%，至2.82亿；日活跃用户（DAU）较上年同期增长36%，至1.26亿，总注册用户达8亿多。PC主站作为重要的流量入口，承载部分用户访问和流量落地，其中我们提供的部分服务（如：头条文章）承担全网所有流量。

随着业务的增长，系统压力也在不断的增加。峰值时，服务器Hits达10W+，CPU使用率也达到了80%，远超报警阈值。另外，当前机房的机架已趋于饱和，遇到突发事件，只能对非核心业务进行降低，挪用这些业务的服务器来进行临时扩容，这种方案只能算是一种临时方案，不能满足长久的业务增长需求。再加上一年一度的三节（圣诞、元旦、春节），系统需预留一定的冗余来应对，所以当前系统面临的问题非常严峻，解决系统压力的问题也迫在眉急。

面对当前的问题，我们内部也给出两套解决方案同步进行。

方案一：申请新机房，资源统一配置，实现弹性扩容。
方案二：对系统进行优化，对性能做进一步提升。

针对方案一，通过搭建与新机房之间的专线与之打通，高峰时，运用内部自研的混合云DCP平台，对所有资源进行调度管理，实现了真正意义上的弹性扩容。目前该方案已经在部分业务灰度运行，随时能对重点业务进行小流量测试。

针对方案二，系统层面，之前做过多次大范围的优化，比如：

将Apache升级至Nginx
应用框架升级至Yaf
CPU计算密集型的逻辑扩展化
弃用smarty
并行化调用

优化效果非常明显，如果再从系统层面进行优化，性能可提升的空间非常有限。好在业界传出了两大福音，分别为HHVM和PHP7。

方案选型

在PHP7还未正式发布时，我们也研究过HHVM（HipHop Virtual Machine），关于HHVM更多细节，这里就不再赘述，可参考官方说明。下面对它提升性能的方式进行一个简单的介绍。

默认情况下，Zend引擎先将PHP源码编译为opcode，然后Zend解析引擎逐条执行。这里的opcode码，可以理解成C语言级的函数。而HHVM提升性能方式为替代Zend引擎将PHP代码转换成中间字节码（HHVM自己的中间字节码，通常称为中间语言），然后在运行时通过即时（JIT）编译器将这些字节码转换成x64的机器码，类似于Java的JVM。

HHVM为了达到最佳优化效果，需要将PHP的变量类型固定下来，而不是让编译器去猜测。Facebook的工程师们就定义一种Hack写法，进而来达到编译器优化的目的，写法类似如下：

class point {

public float $x, $y;

function __construct(float $x, float $y) {

$this->x = $x;

$this->y = $y;

}

通过前期的调研，如果使用HHVM解析器来优化现有业务代码，为了达到最佳的性能提升，必须对代码进行大量修改。另外，服务部署也比较复杂，有一定的维护成本，综合评估后，该方案我们也就不再考虑。

当然，PHP7的开发进展我们也一直在关注，通过官方测试数据以及内部自己测试，性能提升非常明显。

令人兴奋的是，在去年年底（2015年12月04日），官方终于正式发布了PHP7，并且对原生的代码几乎可以做到完全兼容，性能方面与PHP5比较能提升达一倍左右，和HHVM相比已经是不相上下。

无论从优化成本、风险控制，还是从性能提升上来看，选择PHP7无疑是我们的最佳方案。

系统现状以及升级风险

微博PC主站从2009年8月13日发布第一版开始，先后经历了6个大的版本，系统架构也随着需求的变化进行过多次重大调整。截止目前，系统部分架构如下。

从系统结构层面来看，系统分应用业务层、应用服务层，系统所依赖基础数据由平台服务层提供。

从服务部署层面来看，业务主要部署在三大服务集群，分别为Home池、Page池以及应用服务池。

为了提升系统性能，我们自研了一些PHP扩展，由于PHP5和PHP7底层差别太大，大部分Zend API接口都进行了调整，所有扩展都需要修改。

所以，将PHP5环境升级至PHP7过程中，主要面临如下风险：

使用了自研的PHP扩展，目前这些扩展只有PHP5版本，将这些扩展升级至PHP7，风险较大。
PHP5与PHP7语法在某种程度上，多少还是存在一些兼容性的问题。由于涉及主站代码量庞大，业务逻辑分支复杂，很多测试范围仅仅通过人工测试是很难触达的，也将面临很多未知的风险。
软件新版本的发布，都会面临着一些未知的风险和版本缺陷。这些问题，是否能快速得到解决。
涉及服务池和项目较多，基础组件的升级对业务范围影响较大，升级期间出现的问题、定位会比较复杂。

对微博这种数亿用户级别的系统的基础组件进行升级，影响范围将非常之大，一旦某个环节考虑不周全，很有可能会出现比较严重的责任事故。

PHP7升级实践

1. 扩展升级

一些常用的扩展，在发布PHP7时，社区已经做了相应升级，如：Memcached、PHPRedis等。另外，微博使用的Yaf、Yar系列扩展，由于鸟哥(laruence)的支持，很早就全面支持了PHP7。对于这部分扩展，需要详细的测试以及现网灰度来进行保障。

PHP7中，很多常用的API接口都做了改变，例如HashTable API等。对于自研的PHP扩展，需要做升级，比如我们有个核心扩展，升级涉及到代码量达1500行左右。

新升级的扩展，刚开始也面临着各式各样的问题，我们主要通过官方给出的建议以及测试流程来保证其稳定可靠。

官方建议

在PHP7下编译你的扩展，编译错误与警告会告诉你绝大部分需要修改的地方。
在DEBUG模式下编译与调试你的扩展，在run-time你可以通过断言捕捉一些错误。你还可以看到内存泄露的情况。

测试流程

首先通过扩展所提供的单元测试来保证扩展功能的正确性。

其次通过大量的压力测试来验证其稳定性。
然后再通过业务代码的自动化测试来保证业务功能的可用性。

最后再通过现网流量灰度来确保最终的稳定可靠。

整体升级过程中，涉及到的修改比较多，以下只简单列举出一些参数变更的函数。

（1）addassocstringl参数4个改为了3个。

//PHP5

add_assoc_stringl(parray, key, value, value_len);

//PHP7

add_assoc_stringl(parray, key, value);

（2）addnextindex_stringl 参数从3个改为了2个。

//PHP5

add_next_index_stringl(parray, value, value_len);

//PHP7 add_next_index_string(parray, value);//PHP7

（3）RETURN_STRINGL 参数从3个改为了2个。

//PHP5

RETURN_STRINGL(value, length，dup);

//PHP7

RETURN_STRINGL(value, length);

（4）变量声明从堆上分配，改为栈上分配。

//PHP5

zval* sarray_l;

ALLOC_INIT_ZVAL(sarray_l);

array_init(sarray_l);

//PHP7

zval sarray_l;

array_init(&sarray_l);

（5）zendhashgetcurrentkey_ex参数从6个改为4个。

//PHP5

ZEND_API int ZEND_FASTCALL zend_hash_get_current_key_ex (

HashTable* ht,

char** str_index,

uint* str_length,

ulong* num_index,

zend_bool duplicate,

HashPosition* pos);

//PHP7

ZEND_API int ZEND_FASTCALL zend_hash_get_current_key_ex(

const HashTable *ht,

zend_string **str_index,

zend_ulong *num_index,

HashPosition *pos)；

更详细的说明，可参考官方PHP7扩展迁移文档：https://wiki.PHP.net/PHPng-upgrading。

2. PHP代码升级

整体来讲，PHP7向前的兼容性正如官方所描述那样，能做到99%向前兼容，不需要做太多修改，但在整体迁移过程中，还是需要做一些兼容处理。

另外，在灰度期间，代码将同时运行于PHP5.4和PHP7环境，现网灰度前，我们首先对所有代码进行了兼容性修改，以便同一套代码能同时兼容两套环境，然后再按计划对相关服务进行现网灰度。

同时，对于PHP7的新特性，升级期间，也强调不允许被使用，否则代码与低版本环境的兼容性会存在问题。

接下来简单介绍下升级PHP7代码过程中，需要注意的地方。

（1）很多致命错误以及可恢复的致命错误，都被转换为异常来处理，这些异常继承自Error类，此类实现了 Throwable 接口。对未定义的函数进行调用，PHP5和PHP7环境下，都会出现致命错误。

undefine_function();

错误提示：

PHP Fatal error: Call to undefined function undefine_function() in /tmp/test.PHP on line 4

在PHP7环境下，这些致命的错误被转换为异常来处理，可以通过异常来进行捕获。

try {

undefine_function();

}

catch (Throwable $e) {

echo $e;

}

提示：

Error: Call to undefined function undefine_function() in /tmp/test.PHP:5 Stack trace:

#0 {main}

（2）被0除，PHP 7 之前，被0除会导致一条 E_WARNING 并返回 false 。一个数字运算返回一个布尔值是没有意义的，PHP 7 会返回如下的 float 值之一。

+INF
-INF
NAN

如下：

var_dump(42/0); // float(INF) + E_WARNING

var_dump(-42/0); // float(-INF) + E_WARNING

var_dump(0/0); // float(NAN) + E_WARNING

当使用取模运算符（ % ）的时候，PHP7会抛出一个 DivisionByZeroError 异常，PHP7之前，则抛出的是警告。

echo 42 % 0;

PHP5输出：

PHP Warning: Division by zero in /tmp/test.PHP on line 4

PHP7输出：

PHP Fatal error: Uncaught DivisionByZeroError: Modulo by zero in /tmp/test.PHP:4 Stack trace: #

0 {main}

thrown in /tmp/test.PHP on line 4

PHP7环境下，可以捕获该异常：

try {

echo 42 % 0;

} catch (DivisionByZeroError $e) {

echo $e->getMessage();

}

输出：

Modulo by zero

（3）pregreplace() 函数不再支持 "\e" (PREGREPLACEEVAL). 使用 pregreplace_callback() 替代。

PHP5：

$content = preg_replace("/#([^#]+)#/ies", "strip_tags('#\\1#')", $content);

PHP7：

$content = preg_replace_callback("/#([^#]+)#/is", "self::strip_str_tags", $content);

public static function strip_str_tags($matches){

return "#".strip_tags($matches[1]).'#';

}

（4）以静态方式调用非静态方法。

class foo {

function bar() {

echo 'I am not static!';

}

foo::bar();

以上代码PHP7会输出：

PHP Deprecated: Non-static method foo::bar() should not be called statically in /tmp/test.PHP on line 10

I am not static!

（5）E_STRICT 警告级别变更。

原有的 ESTRICT 警告都被迁移到其他级别。 ESTRICT 常量会被保留，所以调用 errorreporting(EALL|E_STRICT) 不会引发错误。

关于代码兼容PHP7，基本上是对代码的规范要求更严谨。以前写的不规范的地方，解析引擎只是输出NOTICE或者WARNING进行提示，不影响对代码上下文的执行，而到了PHP7，很有可能会直接抛出异常，中断上下文的执行。

如：对0取模运行时，PHP7之前，解析引擎只抛出警告进行提示，但到了PHP7则会抛出一个DivisionByZeroError异常，会中断整个流程的执行。

对于警告级别的变更，在升级灰度期间，一定要关注相关NOTICE或WARNING报错。PHP7之前的一个NOTICE或者WARNING到了PHP7，一些报警级变成致命错误或者抛出异常，一旦没有对相关代码进行优化处理，逻辑被触发，业务系统很容易因为抛出的异常没处理而导致系统挂掉。

以上只列举了PHP7部分新特性，也是我们在迁移代码时重点关注的一些点，更多细节可参考官方文档http://PHP.net/manual/zh/migration70.PHP。

3. 研发流程变更

一个需求的开发到上线，首先我们会通过统一的开发环境来完成功能开发，其次经过内网测试、仿真测试，这两个环境测试通过后基本保证了数据逻辑与功能方面没有问题。然后合并至主干分支，并将代码部署至预发环境，再经过一轮简单回归，确保合并代码没有问题。最后将代码发布至生产环境。

为了确保新编写的代码能在两套环境（未灰度的PHP5.4环境以及灰度中的PHP7环境）中正常运行，代码在上线前，也需要在两套环境中分别进行测试，以达到完全兼容。

所以，在灰度期间，对每个环节的运行环境除了现有的PHP5.4环境外，我们还分别提供了一套PHP7环境，每个阶段的测试中，两套环境都需要进行验证。

4. 灰度方案

之前有过简单的介绍，系统部署在三大服务池，分别为Home池、Page池以及应用服务池。

在准备好安装包后，先是在每个服务池分别部署了一台前端机来灰度。运行一段时间后，期间通过错误日志发现了不少问题，也有用户投诉过来的问题，在问题都基本解决的情况下，逐渐将各服务池的机器池增加至多台。

经过前期的灰度测试，主要的问题得到基本解决。接下是对应用服务池进行灰度，陆续又发现了不少问题。前后大概经历了一个月左右，完成了应用服务池的升级。然后再分别对Home池以及Page池进行灰度，经过漫长灰度，最终完成了PC主站全网PHP7的升级。

虽然很多问题基本上在测试或者灰度期间得到了解决，但依然有些问题是全量上线后一段时间才暴露出来，业务流程太多，很多逻辑需要一定条件才能被触发。为此BUG都要第一时间同步给PHP7升级项目组，对于升级PHP引起的问题，要求必须第一时间解决。

5. 优化方案

（1）启用Zend Opcache，启用Opcache非常简单, 在PHP.ini配置文件中加入:

zend_extension=opcache.so

opcache.enable=1

opcache.enable_cli=1"

（2）使用GCC4.8以上的编译器来编译安装包，只有GCC4.8以上编译出的PHP才会开启Global Register for opline and execute_data支持。

（3）开启HugePage支持，首先在系统中开启HugePages, 然后开启Opcache的hugecodepages。

关于HugePage

操作系统默认的内存是以4KB分页的，而虚拟地址和内存地址需要转换，而这个转换要查表，CPU为了加速这个查表过程会内建TLB(Translation Lookaside Buffer)。显然，如果虚拟页越小，表里的条目数也就越多，而TLB大小是有限的，条目数越多TLB的Cache Miss也就会越高，所以如果我们能启用大内存页就能间接降低这个TLB Cache Miss。

PHP7与HugePage

PHP7开启HugePage支持后，会把自身的text段, 以及内存分配中的huge都采用大内存页来保存, 减少TLB miss, 从而提高性能。相关实现可参考Opcache实现中的accel_move_code_to_huge_pages()函数。

开启方法

以CentOS 6.5为例, 通过命令：

sudo sysctl vm.nr_hugepages=128

分配128个预留的大页内存。

$ cat /proc/meminfo | grep Huge

AnonHugePages: 444416 kB

HugePages_Total: 128

HugePages_Free: 128

HugePages_Rsvd: 0

HugePages_Surp: 0

Hugepagesize: 2048 kB

然后在PHP.ini中加入

opcache.huge_code_pages=1

6. 关于负载过高，系统CPU使用占比过高的问题

当我们升级完第一个服务池时，感觉整个升级过程还是比较顺利，当灰度Page池，低峰时一切正常，但到了流量高峰，系统CPU占用非常高，如图：

系统CPU的使用远超用户程序CPU的使用，正常情况下，系统CPU与用户程序CPU占比应该在1/3左右。但我们的实际情况则是，系统CPU是用户CPU的2~3倍，很不正常。

对比了一下两个服务池的流量，发现Page池的流量正常比Home池高不少，在升级Home池时，没发现该问题，主要原因是流量没有达到一定级别，所以未触发该问题。当单机流量超过一定阈值，系统CPU的使用会出现一个直线的上升，此时系统性能会严重下降。

这个问题其实困扰了我们有一段时间，通过各种搜索资料，均未发现任何升级PHP7会引起系统CPU过高的线索。但我们发现了另外一个比较重要的线索，很多软件官方文档里非常明确的提出了可以通过关闭Transparent HugePages（透明大页）来解决系统负载过高的问题。后来我们也尝试对其进行了关闭，经过几天的观察，该问题得到解决，如图：

什么是Transparent HugePages（透明大页）

简单的讲，对于内存占用较大的程序，可以通过开启HugePage来提升系统性能。但这里会有个要求，就是在编写程序时，代码里需要显示的对HugePage进行支持。

而红帽企业版Linux为了减少程序开发的复杂性，并对HugePage进行支持，部署了Transparent HugePages。Transparent HugePages是一个使管理Huge Pages自动化的抽象层，实现方案为操作系统后台有一个叫做khugepaged的进程，它会一直扫描所有进程占用的内存，在可能的情况下会把4kPage交换为Huge Pages。

为什么Transparent HugePages（透明大页）对系统的性能会产生影响

在khugepaged进行扫描进程占用内存，并将4kPage交换为Huge Pages的这个过程中，对于操作的内存的各种分配活动都需要各种内存锁，直接影响程序的内存访问性能。并且，这个过程对于应用是透明的，在应用层面不可控制,对于专门为4k page优化的程序来说，可能会造成随机的性能下降现象。

怎么关闭Transparent HugePages（透明大页）

（1）查看是否启用透明大页。

[root@venus153 ~]# cat /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

[always] madvise never

使用命令查看时，如果输出结果为[always]表示透明大页启用了，[never]表示透明大页禁用。

（2）关闭透明大页。

echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag

（3）启用透明大页。

echo always > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled