OPcache の最適化器の今

OPcache の最適化器の今内山雄司 (@y__uti)

Japan PHP Conference 2017

自己紹介内山雄司 (@y__uti)

◦ http://y-uti.hatenablog.jp/ (phpusers-ja)

仕事◦ 受託開発の会社 (株式会社ピコラボ) でプログラマをしています

興味◦ プログラミング言語処理系

◦ 機械学習

2017-10-08 JAPAN PHP CONFERENCE 2017 2

ベンチマークテスト

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

5.5.38 5.6.31 7.0.24 7.1.10 7.2.0RC3

実行時間

[秒]

PHP バージョン

Zend/bench.php の実行時間 (各 5 回の実行の平均)

OPcache 無効 OPcache 有効


Core i5-3337UCentOS 7 (VM 上の Guest OS)


0.0

0.5

1.0

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5.5.38 5.6.31 7.0.24 7.1.10 7.2.0RC3

実行時間

[秒]

PHP バージョン





PHP 7 で高速化


0.0

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2.5

3.0

5.5.38 5.6.31 7.0.24 7.1.10 7.2.0RC3

実行時間

[秒]

PHP バージョン





OPcache 有効時PHP 7.1 以降も速度向上

発表の流れ

ベンチマーク結果の紹介

PHP のプログラム実行と OPcache

OPcache の最適化器の変遷

◦ PHP 5.5 ~ 7.0

◦ PHP 7.1

◦ PHP 7.2


PHP プログラムの実行方式バイトコードインタプリタ方式


PHP ファイルをコンパイルする

インタプリタで実行する

プログラム実行の様子プログラムをバイトコード命令列にコンパイルして逐次実行


function test(){if (1 + 2 > 0) {if (false) {echo "A";

} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}

# op return operands----------------------------------0 ADD ~0 1, 21 IS_SMALLER ~1 0, ~02 JMPZ ~1, ->83 JMPZ <bool>, ->64 ECHO 'A'5 JMP ->76 ECHO 'B'7 JMP ->98 ECHO 'C'9 RETURN null

ソースコードコンパイル結果




} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}






} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}






} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}






} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}






} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}






} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}






} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}



OPcache の役割バイトコード命令をキャッシュして再利用


バイトコードをキャッシュする

PHP ファイルをコンパイルするキャッシュから

バイトコードを取得する

キャッシュ済み？


NO YES

OPcache の役割バイトコード命令を最適化する


キャッシュからバイトコードを取得する

キャッシュ済み？


NO YES

バイトコードを最適化する

バイトコードをキャッシュする

PHP ファイルをコンパイルする

発表の流れ

ベンチマーク結果の紹介

PHP のプログラム実行と OPcache

OPcache の最適化器の変遷

◦ PHP 5.5 ~ 7.0

◦ PHP 7.1

◦ PHP 7.2


PHP 5.5 の最適化器


PASS 3連続するジャンプの短絡など

PASS 10NOP 命令の除去

PASS 9一時変数のメモリ領域共有

PASS 5制御フローグラフを用いた最適化

PASS 2条件分岐の置き換えなど

PASS 1定数式の置き換えなど

素朴な最適化の例出発点：最適化を行わない場合



} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}



PASS 1 定数式の置き換え1 + 2 > 0 は true だと分かるので・・・



} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}



PASS 1 定数式の置き換えコンパイル時に計算してしまう



} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}

# op return operands----------------------------------0 NOP1 NOP2 JMPZ <bool>, ->83 JMPZ <bool>, ->64 ECHO 'A'5 JMP ->76 ECHO 'B'7 JMP ->98 ECHO 'C'9 RETURN null


PASS 2 条件分岐の置き換えif 文の true/false はコンパイル時に決まっているので・・・



} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}

# op return operands----------------------------------0 NOP1 NOP2 JMPZ <bool>, ->83 JMPZ <bool>, ->64 ECHO 'A'5 JMP ->76 ECHO 'B'7 JMP ->98 ECHO 'C'9 RETURN null


PASS 2 条件分岐の置き換えNOP (飛ばない場合) か JMP (飛ぶ場合) に置き換える



} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}

# op return operands----------------------------------0 NOP1 NOP2 NOP3 JMP ->64 ECHO 'A'5 JMP ->76 ECHO 'B'7 JMP ->98 ECHO 'C'9 RETURN null


PASS 3 連続ジャンプの短絡JMP 命令の飛び先も JMP 命令なので・・・



} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}



PASS 3 連続ジャンプの短絡最後の飛び先まで一気にジャンプする



} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}



PASS 10 NOP 命令の除去NOP (何もしない命令) を実行しても何もしないのだから・・・



} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}



PASS 10 NOP 命令の除去消す



} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}

# op return operands----------------------------------

0 JMP ->31 ECHO 'A'2 JMP ->63 ECHO 'B'4 JMP ->65 ECHO 'C'6 RETURN null


PASS 5 制御フローグラフ処理の流れをグラフ構造で表現して各種最適化を行う



} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}

0 ADD ~0 1, 21 IS_SMALLER ~1 0, ~02 JMPZ ~1, ->8

ソースコード制御フローグラフ

3 JMPZ <bool>, ->6

4 ECHO 'A'5 JMP ->7

6 ECHO 'B'

7 JMP ->9

9 RETURN null

8 ECHO 'C'

PASS 5 制御フローグラフこの例ではどこを通るか決まっているので・・・



} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}

0 ADD ~0 1, 21 IS_SMALLER ~1 0, ~02 JMPZ ~1, ->8


3 JMPZ <bool>, ->6

4 ECHO 'A'5 JMP ->7

6 ECHO 'B'

7 JMP ->9

9 RETURN null

8 ECHO 'C'

PASS 5 制御フローグラフここまで最適化される (PHP 5.5 の頃からこの程度はできていた)



} else {echo "B";

}} else {echo "C";

}}

# op return operands----------------------------------0 ECHO 'B'1 RETURN null




PASS 4関数呼び出しの効率化

PASS 11未使用リテラルの除去

PASS 9

PASS 5PASS 1

PASS 2

PASS 3 PASS 10



PASS 9

PASS 5PASS 1

PASS 2

PASS 3 PASS 10

PASS 4 PASS 11

PASS 12関数スタックフレームの最適化



PASS 9

PASS 1

PASS 2

PASS 3 PASS 10

PASS 11

PASS 5

PASS 6データフロー解析に基づく最適化

PASS 12

PASS 7コールグラフの構築

PASS 4 (関数呼び出しの効率化)

→ PASS 16関数のインライン化 (極めて限定的)

PASS 7 コールグラフ関数間の呼び出し関係をグラフ構造で表現して各種最適化を行う


function test() {return f();

}

function f() {return x() + y();

}

function x() { ... }function y() { ... }

ソースコードコールグラフ

f

test

x y

ただし現時点では解析結果を積極的には利用していない様子

PASS 6 データフロー解析プログラムの各点でデータが取り得る型や値を解析する


function test(){$a = 1 + 2;$b = $a + 3;if ($b > 0) {$a = 4;

} else {$b = $a * 5.6;

}return $a + $b;

}

ソースコードバイトコード命令列 (データフロー解析前)

0 ASSIGN !0, 31 ADD ~2 !0, 32 ASSIGN !1, ~23 IS_SMALLER ~2 0, !14 JMPZ ~2, ->75 ASSIGN !0, 46 JMP ->97 MUL ~2 !0, 5.68 ASSIGN !1, ~29 ADD ~2, !0, !110 RETURN ~2




} else {$b = $a * 5.6;

}return $a + $b;

}


9 ADD ~2, !0, !110 RETURN ~2

0 ASSIGN !0, 31 ADD ~2 !0, 32 ASSIGN !1, ~23 IS_SMALLER ~2 0, !14 JMPZ ~2, ->7

5 ASSIGN !0, 46 JMP ->9

7 MUL ~2 !0, 5.68 ASSIGN !1, ~2




} else {$b = $a * 5.6;

}return $a + $b;

}


return $a + $b;

$a = 3;

$b = $a + 3;

if ($b > 0)

$a = 4; $b = $a * 5.6;




} else {$b = $a * 5.6;

}return $a + $b;

}


return $a + $b;

$a = 3;

$b = $a + 3;

if ($b > 0)

$a = 4; $b = $a * 5.6;




} else {$b = $a * 5.6;

}return $a + $b;

}


return $a + $b;

$a = 3;

$b = $a + 3;

if ($b > 0)

$a = 4; $b = $a * 5.6;




} else {$b = $a * 5.6;

}return $a + $b;

}


$a <- $a or $a;return $a + $b;

$a = 3;

$b = $a + 3;

if ($b > 0)

$a = 4; $b = $a * 5.6;

静的単一代入形式 (SSA) と呼ばれる




} else {$b = $a * 5.6;

}return $a + $b;

}


$a <- $a or $a;$b <- $b or $b;return $a + $b;

$a = 3;

$b = $a + 3;

if ($b > 0)

$a = 4; $b = $a * 5.6;




} else {$b = $a * 5.6;

}return $a + $b;

}


$a <- $a or $a; // [3, 4]: int$b <- $b or $b; // ?: [int, float]return $a + $b;

$a = 3; // 3: int

$b = $a + 3; // 6: int

if ($b > 0)

// 4: int$a = 4;

// ?: float$b = $a * 5.6;

解析結果の用途型や値に応じた効率的なバイトコード命令への変換


function test():int{$a = 1;$a = $a + 1;return $a;

}

# op return operands----------------------------------0 ASSIGN !0, 11 ASSIGN_ADD !0, 12 VERIFY_RETURN_TYPE !03 RETURN !0

ソースコードコンパイル結果 (データフロー解析なし)

0 QM_ASSIGN !0 11 PRE_INC !02 RETURN !0

コンパイル結果 (データフロー解析あり)

PHP 7.1 時点ではそれほど積極的な実装はされていない様子

解析結果の用途型に特化したハンドラの選択

"ADD 命令" は大量にある (データの種類や型によって "適切な ADD" を選択)


ZEND_ADD_SPEC_CONST_CONST_HANDLERZEND_ADD_SPEC_CONST_TMPVAR_HANDLERZEND_ADD_SPEC_CONST_CV_HANDLERZEND_ADD_SPEC_TMPVAR_CONST_HANDLERZEND_ADD_SPEC_TMPVAR_TMPVAR_HANDLERZEND_ADD_SPEC_TMPVAR_CV_HANDLERZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLERZEND_ADD_SPEC_CV_TMPVAR_HANDLERZEND_ADD_SPEC_CV_CV_HANDLERZEND_ADD_LONG_NO_OVERFLOW_SPEC_CONST_TMPVARCV_HANDLERZEND_ADD_LONG_NO_OVERFLOW_SPEC_TMPVARCV_TMPVARCV_HANDLERZEND_ADD_LONG_SPEC_CONST_TMPVARCV_HANDLERZEND_ADD_LONG_SPEC_TMPVARCV_TMPVARCV_HANDLERZEND_ADD_DOUBLE_SPEC_CONST_TMPVARCV_HANDLERZEND_ADD_DOUBLE_SPEC_TMPVARCV_TMPVARCV_HANDLER

7.1 で追加

解析結果の用途型に特化したハンドラの選択

"ADD 命令" は大量にある (データの種類や型によって "適切な ADD" を選択)


ZEND_ADD_SPEC_CONST_CONST_HANDLERZEND_ADD_SPEC_CONST_TMPVAR_HANDLERZEND_ADD_SPEC_CONST_CV_HANDLERZEND_ADD_SPEC_TMPVAR_CONST_HANDLERZEND_ADD_SPEC_TMPVAR_TMPVAR_HANDLERZEND_ADD_SPEC_TMPVAR_CV_HANDLERZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLERZEND_ADD_SPEC_CV_TMPVAR_HANDLERZEND_ADD_SPEC_CV_CV_HANDLERZEND_ADD_LONG_NO_OVERFLOW_SPEC_CONST_TMPVARCV_HANDLERZEND_ADD_LONG_NO_OVERFLOW_SPEC_TMPVARCV_TMPVARCV_HANDLERZEND_ADD_LONG_SPEC_CONST_TMPVARCV_HANDLERZEND_ADD_LONG_SPEC_TMPVARCV_TMPVARCV_HANDLERZEND_ADD_DOUBLE_SPEC_CONST_TMPVARCV_HANDLERZEND_ADD_DOUBLE_SPEC_TMPVARCV_TMPVARCV_HANDLER

7.1 で追加

比較

特化したハンドラの威力ハンドラの違いによる実装の比較


static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CV_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS){

USE_OPLINE

zval *op1, *op2, *result;

op1 = EX_CONSTANT(opline->op1);op2 = _get_zval_ptr_cv_undef(execute_data, opline->op2.var);if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_LONG)) {

if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_LONG)) {result = EX_VAR(opline->result.var);fast_long_add_function(result, op1, op2);ZEND_VM_NEXT_OPCODE();

} else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_DOUBLE)) {result = EX_VAR(opline->result.var);ZVAL_DOUBLE(result, ((double)Z_LVAL_P(op1)) + Z_DVAL_P(op2));ZEND_VM_NEXT_OPCODE();

}} else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_DOUBLE)) {

if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_DOUBLE)) {result = EX_VAR(opline->result.var);ZVAL_DOUBLE(result, Z_DVAL_P(op1) + Z_DVAL_P(op2));ZEND_VM_NEXT_OPCODE();

} else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_LONG)) {result = EX_VAR(opline->result.var);ZVAL_DOUBLE(result, Z_DVAL_P(op1) + ((double)Z_LVAL_P(op2)));ZEND_VM_NEXT_OPCODE();

}}

SAVE_OPLINE();if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) {

op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R);}if (IS_CV == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) {

op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R);}add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2);

ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();}

従来のハンドラ (CONST_CV) 特化ハンドラ (LONG_NO_OVERFLOW)

static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_LONG_NO_OVERFLOW_SPEC_CONST_TMPVARCV_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS){

USE_OPLINEzval *op1, *op2, *result;

op1 = EX_CONSTANT(opline->op1);op2 = EX_VAR(opline->op2.var);result = EX_VAR(opline->result.var);ZVAL_LONG(result, Z_LVAL_P(op1) + Z_LVAL_P(op2));ZEND_VM_NEXT_OPCODE();

}



PASS 9

PASS 1

PASS 2

PASS 3 PASS 10

PASS 4→ PASS 16

PASS 11

PASS 5

PASS 13未使用変数の除去

PASS 12

PASS 6 (データフロー解析)

PASS 7 (コールグラフの構築)

→ PASS 8定数伝播

→ PASS 14不要コード除去

PASS 8 定数伝播定数式をコンパイル時に計算する

例：PHP 7.1 までは・・・


function test(){$a = 1 + 2;$b = $a + 3;$c = $b + 4;echo $c;

}

compiled vars: !0=$a, !1=$b, !2=$c

op return operands-------------------------------------QM_ASSIGN !0 3ADD !1 3, !0ADD !2 4, !1ECHO !2RETURN null


$a の右辺だけは計算されるが計算結果が後続の命令に伝わらない

PASS 8 定数伝播定数式をコンパイル時に計算する

例：定数伝播を適用すると



}


op return operands-------------------------------------QM_ASSIGN !0 3QM_ASSIGN !1 6QM_ASSIGN !2 10ECHO !2RETURN null


PHP 7.2 で最適化レベルを指定

optimization_level=0x7fff8fff

$b や $c の右辺もコンパイル時に計算され定数になる

PASS 14 不要コードの除去不要なバイトコード命令を除去する

例：不要コード除去も適用すると



}


op return operands-------------------------------------ECHO 10RETURN null


PHP 7.2 で最適化レベルを指定

optimization_level=0x7fffafff

$a, $b, $c に代入する命令が除去され 10 が直接出力される

PASS 13 未使用変数の除去使われることのない変数を除去する

例：未使用変数の除去も適用すると



}

compiled vars: none

op return operands-------------------------------------ECHO 10RETURN null


PHP 7.2 のデフォルトの設定

optimization_level=0x7fffbfff

スタックに $a, $b, $c の領域を確保しなくなる (PASS 12 の処理)

もう少し複雑な例


# op return operands----------------------------------0 RETURN 10


function test() {$a = 1 + 2;$b = $a + 3;if ($b > 0) {$a = 4;

} else {$b = $a * 5.6;

}return $a + $b;

}

まだ出来ていないこといろいろある

例：ループを含むコード


function test(){$a = 1;for ($i=0; $i<3; ++$i) {++$a;

}echo $a;

}

# op return operands------------------------------1 QM_ASSIGN !0 12 QM_ASSIGN !1 03 JMP ->54 PRE_INC !05 PRE_INC !16 IS_SMALLER ~2 !1, 37 JMPNZ ~2, ->38 ECHO !09 RETURN null


まとめと補足PHP 7.1 以降で OPcache の最適化器が大きく進歩

コマンドラインからの PHP 実行で OPcache を有効にするには


$ php -d opcache.enable_cli=1 bench.php

Technology

OPcache の最適化器の今