PHP中的`malloc`替代品：jemalloc或tcmalloc在不同ZMM模式下的性能对比

PHP中的malloc替代品：jemalloc或tcmalloc在不同ZMM模式下的性能对比

各位朋友，大家好。今天我们要探讨的是一个在高性能PHP开发中至关重要的话题：内存管理。更具体地说，我们将深入研究PHP默认的malloc的替代品——jemalloc和tcmalloc，以及它们在不同ZMM模式下的性能对比。

在PHP中，默认的内存分配器通常是系统提供的malloc。虽然在许多情况下，malloc足以胜任，但在高并发、高负载的场景下，其性能可能会成为瓶颈。这正是jemalloc和tcmalloc等替代品发挥作用的地方。

1. 为什么要考虑替换PHP的默认malloc？

PHP作为一种动态语言，在执行过程中会频繁地进行内存分配和释放。默认的malloc在处理这些操作时，可能会面临以下问题：

• 锁竞争： 在多线程或多进程环境中，多个线程/进程同时请求内存分配时，malloc内部的锁机制会导致竞争，降低性能。
• 内存碎片： 频繁的分配和释放操作会导致内存碎片，降低内存利用率，并可能导致分配失败。
• 扩展性问题： 在高并发场景下，默认malloc的扩展性可能不足，无法充分利用多核CPU的优势。

jemalloc和tcmalloc等内存分配器正是为了解决这些问题而设计的，它们通常具有更好的并发性能、更低的碎片率和更高的内存利用率。

2. jemalloc和tcmalloc简介

• jemalloc (Facebook’s Memory Allocator): jemalloc 由 Facebook 开发并开源，专注于高性能和碎片管理。它采用了一种基于 arena 的分配策略，将内存划分为多个 arena，每个 arena 都有自己的锁，从而减少了锁竞争。jemalloc 还具有出色的碎片管理能力，能够有效地减少内存碎片。
• tcmalloc (Google’s Thread-Caching Malloc): tcmalloc 由 Google 开发并开源，同样专注于高性能。它采用了一种基于线程缓存的分配策略，每个线程都有自己的内存缓存，从而避免了线程之间的锁竞争。tcmalloc 还具有快速分配和释放小对象的优势。

3. ZMM模式与内存分配

ZMM (Zend Memory Manager) 是 PHP 的内存管理器。它负责管理 PHP 脚本执行期间的内存分配和释放。ZMM 提供了不同的模式，以满足不同的性能需求。常见的ZMM模式包括：

• 默认模式 (ZMM_NOT_USED): 使用系统默认的malloc进行内存分配。
• ZMM1: 使用简单的内存池进行分配，对于小对象分配速度较快，但可能存在线程安全问题。
• ZMM2: 引入了锁机制，保证了线程安全，但性能相对较低。
• ZMM3: 尝试改进ZMM2的锁机制，提升性能，但实际效果可能因应用场景而异。

我们通常需要禁用ZMM，让PHP直接使用我们替换的内存分配器，以获得最佳的性能提升。 禁用ZMM，需要在编译PHP时使用 --disable-zend-memory-manager 选项。

4. jemalloc和tcmalloc在不同ZMM模式下的性能对比

为了进行性能对比，我们将在不同的ZMM模式下，分别使用jemalloc和tcmalloc替换PHP的默认malloc，并运行一些基准测试。

4.1 测试环境

• CPU: Intel Xeon E5-2680 v4
• Memory: 32GB
• OS: Ubuntu 20.04
• PHP: 8.2 (编译时分别链接 jemalloc 和 tcmalloc)
• Web Server: Nginx
• 压测工具: ApacheBench (ab)

4.2 测试用例

我们将使用以下测试用例：

• Micro-benchmark: 简单的内存分配和释放操作，用于评估分配器的基本性能。
• String Manipulation: 大量字符串拼接操作，模拟常见的Web应用场景。
• Array Processing: 创建、修改和遍历大型数组，模拟数据处理场景。
• WordPress Benchmark: 运行 WordPress 并进行性能测试，模拟实际Web应用。

4.3 测试方法

1. 编译PHP:
   • 使用 --disable-zend-memory-manager 选项禁用 ZMM。
   • 使用 -with-jemalloc 或 -with-tcmalloc 选项链接 jemalloc 或 tcmalloc。
2. 配置Nginx:
   • 配置 Nginx 以运行 PHP-FPM。
3. 运行基准测试:
   • 使用 ab 对每个测试用例进行压测，记录吞吐量（requests per second）和平均响应时间。

4.4 结果分析

以下是测试结果的示例表格。请注意，实际结果可能因硬件、软件配置和测试用例而异。

测试用例	内存分配器	ZMM模式	吞吐量 (requests/second)	平均响应时间 (ms)
Micro-benchmark	malloc	ZMM_NOT_USED	10000	1
Micro-benchmark	jemalloc	ZMM_NOT_USED	12000	0.8
Micro-benchmark	tcmalloc	ZMM_NOT_USED	13000	0.77
String Manipulation	malloc	ZMM_NOT_USED	5000	2
String Manipulation	jemalloc	ZMM_NOT_USED	6000	1.67
String Manipulation	tcmalloc	ZMM_NOT_USED	6500	1.54
Array Processing	malloc	ZMM_NOT_USED	2000	5
Array Processing	jemalloc	ZMM_NOT_USED	2500	4
Array Processing	tcmalloc	ZMM_NOT_USED	2600	3.85
WordPress Benchmark	malloc	ZMM_NOT_USED	50	20
WordPress Benchmark	jemalloc	ZMM_NOT_USED	60	16.67
WordPress Benchmark	tcmalloc	ZMM_NOT_USED	65	15.38

重要提示: 以上数据仅为示例，真实数据需要根据实际测试得出。同时，测试结果会受到诸如CPU型号，内存大小，PHP版本，甚至操作系统的影响。

4.5 代码示例

以下是一些简单的代码示例，用于展示如何在 PHP 中进行内存分配和释放操作，以及如何与 jemalloc 或 tcmalloc 交互。

4.5.1 使用 malloc (默认)

<?php
// 使用系统默认的 malloc 分配内存
$size = 1024 * 1024; // 1MB
$ptr = FFI::new("char[$size]", false); // 分配内存

// ... 使用 $ptr 指向的内存 ...

// PHP 会在变量超出作用域时自动释放内存 (通过 GC)
unset($ptr);
?>

4.5.2 使用 jemalloc (需要编译时链接 jemalloc)

由于 PHP 默认不直接暴露 jemalloc 或 tcmalloc 的 API，我们需要使用 FFI (Foreign Function Interface) 来调用这些库的函数。

首先，需要安装FFI扩展： pecl install ffi

<?php
// 使用 FFI 调用 jemalloc 函数
$je = FFI::cdef(
    "void *malloc(size_t size);
    void free(void *ptr);
    size_t malloc_usable_size(void *ptr);",
    "libjemalloc.so" // 或者 libjemalloc.dylib (macOS)
);

$size = 1024 * 1024; // 1MB
$ptr = $je->malloc($size); // 使用 jemalloc 分配内存

// ... 使用 $ptr 指向的内存 ...

$je->free($ptr); // 使用 jemalloc 释放内存
?>

4.5.3 使用 tcmalloc (需要编译时链接 tcmalloc)

<?php
// 使用 FFI 调用 tcmalloc 函数
$tc = FFI::cdef(
    "void *malloc(size_t size);
    void free(void *ptr);
    size_t tc_malloc_size(void *ptr);", // tcmalloc获取已分配内存大小的函数名不同
    "libtcmalloc.so" // 或者 libtcmalloc.dylib (macOS)
);

$size = 1024 * 1024; // 1MB
$ptr = $tc->malloc($size); // 使用 tcmalloc 分配内存

// ... 使用 $ptr 指向的内存 ...

$tc->free($ptr); // 使用 tcmalloc 释放内存
?>

注意： 上述代码示例仅用于演示如何使用 FFI 调用 jemalloc 和 tcmalloc 的函数。在实际应用中，需要根据具体需求进行修改和优化。 此外，直接操作内存指针是非常危险的，容易导致内存泄漏、段错误等问题。请谨慎使用。

5. 选择哪种内存分配器？

jemalloc 和 tcmalloc 都是优秀的内存分配器，它们各自具有优势：

• jemalloc: 擅长碎片管理，在高并发场景下表现出色。
• tcmalloc: 具有快速分配和释放小对象的优势，适合对分配速度要求较高的场景。

在选择内存分配器时，需要根据具体的应用场景进行评估。可以尝试使用不同的分配器进行基准测试，选择性能最佳的方案。

6. 其他注意事项

• 编译选项: 确保在编译 PHP 时正确链接 jemalloc 或 tcmalloc，并禁用 ZMM。
• 环境变量: 有时需要设置环境变量来调整 jemalloc 或 tcmalloc 的行为。例如，可以使用 MALLOC_CONF 环境变量来配置 jemalloc。
• 内存泄漏检测: 使用内存泄漏检测工具（例如 Valgrind）来检查代码是否存在内存泄漏问题。
• 监控: 监控 PHP 应用程序的内存使用情况，以便及时发现并解决内存相关的问题。

代码示例补充说明：获取分配内存的大小

jemalloc 和 tcmalloc 提供了不同的 API 来获取已分配内存的大小。在上面的代码示例中，我们使用了 malloc_usable_size (jemalloc) 和 tc_malloc_size (tcmalloc)。 可以使用这两个函数来获取指针 ptr 指向的内存块的实际大小。这在某些情况下非常有用，例如，当你需要知道实际分配的内存大小是否与请求的大小一致时。

<?php
// 使用 jemalloc 获取已分配内存的大小
$size = $je->malloc_usable_size($ptr);
echo "实际分配的内存大小: " . $size . " 字节n";

// 使用 tcmalloc 获取已分配内存的大小
$size = $tc->tc_malloc_size($ptr);
echo "实际分配的内存大小: " . $size . " 字节n";
?>

补充：如何查看PHP使用了哪个内存分配器

在运行时，可以通过以下几种方式来判断 PHP 当前使用的内存分配器：

1. phpinfo() 函数:

   • 在 PHP 脚本中调用 phpinfo() 函数。
   • 在输出的信息中查找 "Configure Command" 部分。
   • 如果使用了 jemalloc 或 tcmalloc，你应该能看到 -with-jemalloc 或 -with-tcmalloc 选项。

2. ldd 命令 (Linux):

   • 使用 ldd 命令查看 PHP 可执行文件依赖的动态链接库。
   • 例如：ldd /usr/bin/php
   • 如果使用了 jemalloc 或 tcmalloc，你应该能看到 libjemalloc.so 或 libtcmalloc.so 在列表中。

3. otool -L 命令 (macOS):

   • 使用 otool -L 命令查看 PHP 可执行文件依赖的动态链接库。
   • 例如：otool -L /usr/bin/php
   • 如果使用了 jemalloc 或 tcmalloc，你应该能看到 libjemalloc.dylib 或 libtcmalloc.dylib 在列表中。

4. 通过环境变量判断：

如果程序正确链接了jemalloc或tcmalloc， 并且没有被其他内存分配器预先覆盖（比如preload），环境变量的设置会影响其行为。比如jemalloc可以通过MALLOC_CONF设置。 运行期间检测该环境变量是否存在，可以间接推断是否jemalloc生效。 不过，这方法不太可靠，因为环境变量可能被设置但没有实际效果。

示例：

<?php

$jemalloc_conf = getenv('MALLOC_CONF');

if ($jemalloc_conf !== false) {
    echo "jemalloc is likely being used, MALLOC_CONF: " . $jemalloc_conf . "n";
} else {
    echo "jemalloc is likely not being used (MALLOC_CONF not set).n";
}

7. 实际案例分享

我们曾经在一个高并发的电商网站上尝试使用 jemalloc 替换默认 malloc。 在压测过程中，我们发现 jemalloc 显著提高了系统的吞吐量，并降低了平均响应时间。 尤其是在处理大量用户并发请求时，jemalloc 的优势更加明显。

内存管理至关重要

内存管理是高性能 PHP 应用开发中的关键环节。选择合适的内存分配器，并进行合理的配置和优化，可以显著提升应用程序的性能和稳定性。

选择适合的分配器，持续优化

jemalloc 和 tcmalloc 都是优秀的内存分配器，它们各自具有优势。选择哪种分配器，需要根据具体的应用场景进行评估和测试。同时，持续监控和优化内存使用情况，是保证应用程序性能的关键。