发布于 由admin

PHP字符串驻留（Interned Strings）：在Request生命周期与Opcache共享内存中的管理

PHP字符串驻留（Interned Strings）：在Request生命周期与Opcache共享内存中的管理

大家好，今天我们要深入探讨PHP中一个重要的优化技术：字符串驻留 (String Interning)。它能有效地减少内存占用，提高PHP应用的性能，尤其是在处理大量重复字符串的场景下。我们会从Request生命周期内和Opcache共享内存两个维度，剖析字符串驻留的原理、实现方式和最佳实践。

一、什么是字符串驻留？

简单来说，字符串驻留是一种将相同的字符串值在内存中只存储一份的技术。当代码中多次出现相同的字符串时，系统不会为每次出现都分配新的内存，而是让所有指向相同字符串值的变量都指向同一块内存地址。

这种技术的核心思想是利用字符串的不可变性。由于PHP中的字符串是不可变的，一旦创建就不能修改，因此可以安全地共享相同的字符串实例。

举个例子：

假设我们有以下PHP代码：

$str1 = "hello";
$str2 = "hello";
$str3 = "hello";

如果没有字符串驻留，那么$str1、$str2和$str3会分别指向三个不同的内存地址，每个地址都存储着字符串"hello"。

如果启用了字符串驻留，那么$str1、$str2和$str3会指向同一个内存地址，这个地址存储着字符串"hello"。

字符串驻留的优点：

  • 减少内存占用： 尤其是当存在大量重复字符串时，效果显著。
  • 提高字符串比较速度： 可以直接比较指针地址，而不需要逐字符比较，从而提高 === (全等) 的比较速度。

字符串驻留的缺点：

  • 需要额外的维护成本： 需要一个字符串池来管理驻留的字符串，这会带来一定的开销。
  • 可能增加首次访问的延迟： 如果字符串尚未驻留，则需要先在字符串池中查找或添加，这会增加首次访问的延迟。

二、Request生命周期内的字符串驻留

在PHP的Request生命周期内，字符串驻留主要发生在以下几个场景：

  1. 字面量字符串： 直接在代码中定义的字符串字面量，例如 "hello"、"world"。PHP解释器在编译阶段会尝试将这些字面量字符串驻留。

  2. 常量字符串： 使用 define() 定义的常量字符串，也会被尝试驻留。

  3. 运行时创建的字符串 (部分情况)： 某些内置函数，例如 substr()、strtolower() 等，如果返回的结果已经在字符串池中存在，可能会返回已驻留的字符串。

如何验证Request生命周期内的字符串驻留？

我们可以使用 spl_object_hash() 函数来获取字符串的唯一标识符 (类似于内存地址)，然后比较不同字符串的标识符是否相同。

<?php

$str1 = "hello";
$str2 = "hello";

echo "str1 hash: " . spl_object_hash($str1) . "n";
echo "str2 hash: " . spl_object_hash($str2) . "n";

if (spl_object_hash($str1) === spl_object_hash($str2)) {
    echo "str1 and str2 are interned (same memory address)n";
} else {
    echo "str1 and str2 are not interned (different memory addresses)n";
}

define("MY_CONSTANT", "world");
$str3 = "world";

echo "MY_CONSTANT hash: " . spl_object_hash(MY_CONSTANT) . "n";
echo "str3 hash: " . spl_object_hash($str3) . "n";

if (spl_object_hash(MY_CONSTANT) === spl_object_hash($str3)) {
    echo "MY_CONSTANT and str3 are interned (same memory address)n";
} else {
    echo "MY_CONSTANT and str3 are not interned (different memory addresses)n";
}

$str4 = substr("abcdef", 0, 3); // "abc"
$str5 = "abc";

echo "str4 hash: " . spl_object_hash($str4) . "n";
echo "str5 hash: " . spl_object_hash($str5) . "n";

if (spl_object_hash($str4) === spl_object_hash($str5)) {
    echo "str4 and str5 are interned (same memory address)n";
} else {
    echo "str4 and str5 are not interned (different memory addresses)n";
}

?>

重要提示：

  • spl_object_hash() 返回的是一个字符串，代表对象的唯一标识符。虽然它看起来像内存地址，但实际上并非真实的内存地址。它只是一个用于比较对象是否相同的唯一标识符。
  • Request生命周期结束时，所有在Request内创建的字符串（包括驻留的）都会被销毁。

三、Opcache共享内存中的字符串驻留

Opcache是PHP的一个扩展，用于缓存编译后的PHP代码 (opcode)。它不仅可以缓存opcode，还可以缓存一些其他信息，包括字符串。 Opcache的字符串驻留与Request生命周期内的驻留有所不同，它可以跨Request共享字符串，从而进一步提高性能。

Opcache字符串驻留的原理：

当Opcache启用时，PHP解释器会将编译后的opcode和一些常量数据存储在共享内存中。这些常量数据包括字符串字面量和常量。如果多个PHP脚本都使用了相同的字符串字面量或常量，那么Opcache只会将该字符串存储一份在共享内存中，并且让所有脚本共享这个字符串实例。

Opcache字符串驻留的优势：

  • 跨Request共享： 不同Request之间可以共享相同的字符串，避免重复分配内存。
  • 持久化缓存： 只要Opcache没有被重置，字符串就会一直缓存在共享内存中。

如何配置Opcache字符串驻留？

Opcache的字符串驻留功能默认是启用的。可以通过修改 php.ini 文件来调整相关配置：

  • opcache.enable: 启用或禁用Opcache。默认为 1 (启用)。
  • opcache.interned_strings_buffer: 用于存储驻留字符串的共享内存大小，单位是MB。默认值为 8。这个值需要根据应用的实际情况进行调整。如果应用中存在大量的重复字符串，可以适当增加这个值。
  • opcache.max_accelerated_files: Opcache可以缓存的最大文件数量。这个值也需要根据应用的实际情况进行调整。
  • opcache.validate_timestamps: 如果启用，Opcache会检查文件的时间戳，以确定是否需要重新编译。在开发环境中，建议启用这个选项。在生产环境中，可以禁用这个选项，以提高性能。

查看Opcache状态：

可以使用 opcache_get_status() 函数来获取Opcache的状态信息，包括字符串驻留的统计数据。

<?php
$status = opcache_get_status();

if ($status) {
    echo "Opcache is enabledn";
    echo "Interned strings buffer size: " . $status['opcache_statistics']['interned_strings_usage']['buffer_size'] . "n";
    echo "Number of interned strings: " . $status['opcache_statistics']['interned_strings_usage']['number_of_strings'] . "n";
    echo "Used memory for interned strings: " . $status['opcache_statistics']['interned_strings_usage']['used_memory'] . "n";
    echo "Free memory for interned strings: " . $status['opcache_statistics']['interned_strings_usage']['free_memory'] . "n";
} else {
    echo "Opcache is disabledn";
}
?>

代码示例 (使用Opcache字符串驻留):

假设我们有两个PHP文件： script1.php 和 script2.php。

script1.php:

<?php
define("MY_GLOBAL_CONSTANT", "This is a global constant shared between scripts.");
$string1 = "This is a global constant shared between scripts.";
echo "Script 1: MY_GLOBAL_CONSTANT hash: " . spl_object_hash(MY_GLOBAL_CONSTANT) . "n";
echo "Script 1: string1 hash: " . spl_object_hash($string1) . "n";
?>

script2.php:

<?php
define("MY_GLOBAL_CONSTANT", "This is a global constant shared between scripts.");
$string2 = "This is a global constant shared between scripts.";
echo "Script 2: MY_GLOBAL_CONSTANT hash: " . spl_object_hash(MY_GLOBAL_CONSTANT) . "n";
echo "Script 2: string2 hash: " . spl_object_hash($string2) . "n";
?>

如果Opcache启用了字符串驻留，那么 MY_GLOBAL_CONSTANT 和 $string1 (在 script1.php 中) 和 MY_GLOBAL_CONSTANT 和 $string2 (在 script2.php 中) 将会指向同一个内存地址。即使这两个脚本是独立运行的，它们也会共享同一个字符串实例。

重要提示：

  • Opcache的字符串驻留只对字面量字符串和常量有效。运行时动态创建的字符串默认情况下不会被Opcache驻留。
  • 如果修改了 php.ini 文件中的 Opcache 配置，需要重启Web服务器才能使配置生效。

四、手动字符串驻留

PHP提供了一个函数 intern()，允许我们手动将字符串添加到字符串池中。

intern() 函数的用法：

string intern ( string $string )

intern() 函数接受一个字符串作为参数，并返回该字符串的驻留版本。如果该字符串已经在字符串池中存在，则返回已驻留的字符串。如果该字符串不在字符串池中，则将其添加到字符串池中，并返回新添加的字符串。

代码示例：

<?php

$str1 = "my_very_long_string";
$str2 = "my_very_long_string";

echo "Before interning:n";
echo "str1 hash: " . spl_object_hash($str1) . "n";
echo "str2 hash: " . spl_object_hash($str2) . "n";

$str1 = intern($str1);
$str2 = intern($str2);

echo "nAfter interning:n";
echo "str1 hash: " . spl_object_hash($str1) . "n";
echo "str2 hash: " . spl_object_hash($str2) . "n";

if (spl_object_hash($str1) === spl_object_hash($str2)) {
    echo "str1 and str2 are interned (same memory address)n";
} else {
    echo "str1 and str2 are not interned (different memory addresses)n";
}

?>

注意事项：

  • intern() 函数会修改原始字符串变量的值，将其指向驻留的字符串。
  • 手动驻留字符串可能会增加内存占用，因为需要维护一个字符串池。因此，应该谨慎使用 intern() 函数，只对那些需要频繁比较且重复出现的字符串进行驻留。
  • intern() 创建的字符串驻留在Request 生命周期内，不会跨Request。

五、字符串驻留的最佳实践

  1. 启用Opcache： 这是最基本也是最重要的优化措施。Opcache可以显著提高PHP应用的性能，包括字符串驻留。

  2. 调整Opcache配置： 根据应用的实际情况，调整 opcache.interned_strings_buffer 和 opcache.max_accelerated_files 的值。

  3. 避免不必要的字符串复制： 尽量使用字符串引用，而不是复制字符串。

  4. 使用常量代替字符串字面量： 对于那些在代码中多次出现的字符串，可以使用常量来代替。这样可以提高代码的可读性，并且可以利用Opcache的字符串驻留功能。

  5. 谨慎使用 intern() 函数： 只对那些需要频繁比较且重复出现的字符串进行手动驻留。

  6. 使用字符串键的数组时要小心： 大量使用字符串作为数组键可能会增加内存占用，因为PHP需要存储键的副本。在这种情况下，可以考虑使用数字键或者对字符串键进行哈希处理。

  7. 分析应用性能： 使用性能分析工具，例如 Xdebug 和 Blackfire.io，来分析应用的性能瓶颈，并找出需要优化的地方。

六、与其他语言的比较

许多编程语言都实现了字符串驻留，例如：

  • Python: Python 会自动对长度小于 20 的字符串进行驻留。还可以使用 sys.intern() 函数手动驻留字符串。
  • Java: Java 的字符串池 (String Pool) 位于堆内存中。字符串字面量会被自动添加到字符串池中。可以使用 String.intern() 方法手动驻留字符串。
  • Ruby: Ruby 使用符号 (Symbols) 来表示驻留的字符串。可以使用 :string 语法来创建符号。

不同的语言在实现字符串驻留的方式和策略上有所不同，但其核心思想都是相同的：减少内存占用，提高字符串比较速度。

七、深入了解字符串驻留的内部实现

PHP 的字符串驻留机制主要依赖于一个哈希表，称为 字符串池 (String Pool)。 这个字符串池存储了所有被驻留的字符串。

字符串池的结构：

字符串池通常是一个哈希表，其中：

  • 键 (Key): 字符串的值。
  • 值 (Value): 指向该字符串在内存中的地址的指针。

字符串驻留的过程：

  1. 当PHP解释器遇到一个字符串字面量或常量时，它会首先在字符串池中查找该字符串是否存在。

  2. 如果该字符串已经存在于字符串池中，则返回指向该字符串的指针。

  3. 如果该字符串不存在于字符串池中，则：

    • 分配一块新的内存来存储该字符串。
    • 将该字符串添加到字符串池中，并将该字符串的指针作为值存储在哈希表中。
    • 返回指向该字符串的指针。

zend_string 结构体：

在PHP内部，字符串使用 zend_string 结构体来表示：

typedef struct _zend_string {
    zend_refcounted_h gc;  /* 引用计数信息 */
    zend_ulong        h;      /* 哈希值 */
    size_t            len;    /* 字符串长度 */
    char              val[1]; /* 字符串内容 (柔性数组) */
} zend_string;

其中：

  • gc：用于引用计数，跟踪字符串的引用次数。
  • h：字符串的哈希值，用于在字符串池中查找字符串。
  • len：字符串的长度。
  • val：字符串的内容。这是一个柔性数组，实际分配的内存大小取决于字符串的长度。

字符串池中的值是指向 zend_string 结构体的指针。

八、总结

字符串驻留是一种重要的优化技术，可以有效地减少PHP应用的内存占用，提高性能。通过启用Opcache，调整Opcache配置，避免不必要的字符串复制，使用常量代替字符串字面量，并谨慎使用 intern() 函数，我们可以充分利用字符串驻留的优势，构建更高效的PHP应用。 理解字符串驻留的原理和实现方式，能够帮助我们更好地理解PHP的内部机制，并做出更明智的性能优化决策。 掌握字符串驻留技术，是成为一名优秀的PHP开发者的必备技能之一。

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注