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PHP 8 JIT的调试与监控：使用Opcache工具查看编译后的机器码

PHP 8 JIT 的调试与监控：使用 Opcache 工具查看编译后的机器码

大家好，今天我们来聊聊 PHP 8 的 Just-In-Time (JIT) 编译器的调试与监控，以及如何利用 Opcache 工具来查看 JIT 编译后的机器码。JIT 作为 PHP 性能提升的关键特性，理解其工作原理并掌握调试技巧对于优化应用程序至关重要。

1. JIT 的基本概念与工作原理

JIT 编译器是一种在运行时动态编译代码的技术。与传统的 AOT (Ahead-Of-Time) 编译器不同，JIT 编译器在程序执行过程中才将部分代码编译成机器码。PHP 8 引入的 JIT 编译器通过分析程序运行时的热点代码（频繁执行的代码段），将其编译成机器码，从而显著提升性能。

JIT 的核心思想是“按需编译”。它不会编译整个应用程序的代码，而是只编译那些被频繁执行的代码。这样可以避免编译大量不常用的代码，从而减少编译时间。

JIT 的工作流程大致如下：

  1. PHP 源代码 -> Zend Engine: PHP 源代码首先被 Zend Engine 解析和编译成 Opcode。
  2. Opcode -> JIT 编译器: JIT 编译器监控 Opcode 的执行情况，识别热点代码。
  3. 热点代码识别: 通过计数器等机制，JIT 编译器识别哪些 Opcode 序列被频繁执行。
  4. 机器码生成: 将热点 Opcode 序列编译成机器码。
  5. 机器码执行: 后续执行到相同的 Opcode 序列时，直接执行编译后的机器码，跳过 Opcode 解释执行的步骤。

PHP 8 提供了两种 JIT 策略：

  • Tracing JIT: 基于跟踪的 JIT 编译器。它通过跟踪代码的执行路径来识别热点代码，并生成对应的机器码。 Tracing JIT 更适合于执行路径相对固定的代码，例如循环和条件语句。
  • Function JIT: 基于函数的 JIT 编译器。它将整个函数编译成机器码。 Function JIT 更适合于函数调用频繁的代码。

可以通过 php.ini 文件来配置 JIT：

opcache.enable=1
opcache.jit_buffer_size=100M
opcache.jit=1235  ; 1234 = Tracing JIT, 1235 = Function JIT + Tracing JIT
  • opcache.enable: 启用 Opcache。
  • opcache.jit_buffer_size: JIT 编译器的内存缓冲区大小。
  • opcache.jit: JIT 模式。 1234 启用 Tracing JIT，1235 启用 Function JIT 和 Tracing JIT。

2. 使用 Opcache 工具查看 JIT 编译后的机器码

PHP 的 Opcache 扩展提供了丰富的工具来监控和调试 JIT 编译器。我们可以使用 opcache_get_status() 函数来获取 Opcache 的状态信息，包括 JIT 的统计数据。

2.1 opcache_get_status() 函数

opcache_get_status() 函数返回一个包含 Opcache 状态信息的数组。我们可以通过分析这个数组来了解 JIT 编译器的运行情况。

<?php

$status = opcache_get_status();

if ($status && isset($status['jit'])) {
    echo "<pre>";
    print_r($status['jit']);
    echo "</pre>";
} else {
    echo "Opcache or JIT is not enabled.";
}

?>

运行这段代码，我们可以看到类似以下的输出：

Array
(
    [enabled] => 1
    [on] => 1
    [traces] => 32
    [trace_details] => Array
        (
            [1] => Array
                (
                    [function] => {main}
                    [filename] => /path/to/your/script.php
                    [lineno] => 2
                    [ops] => 20
                    [calls] => 1000
                )

            [2] => Array
                (
                    [function] => someFunction
                    [filename] => /path/to/your/script.php
                    [lineno] => 5
                    [ops] => 10
                    [calls] => 500
                )
        )

    [functions] => 10
    [function_details] => Array
        (
            [0] => Array
                (
                    [function] => anotherFunction
                    [filename] => /path/to/your/script.php
                    [lineno] => 10
                    [ops] => 5
                    [calls] => 200
                )
        )
)
  • enabled: 指示 JIT 是否启用。
  • on: 指示 JIT 是否正在运行。
  • traces: 指示已编译的 Tracing JIT 代码的数量。
  • trace_details: 提供关于已编译的 Tracing JIT 代码的详细信息，包括函数名、文件名、行号、操作数数量和调用次数。
  • functions: 指示已编译的 Function JIT 代码的数量。
  • function_details: 提供关于已编译的 Function JIT 代码的详细信息，与 trace_details 类似。

通过分析 trace_details 和 function_details，我们可以了解哪些代码被 JIT 编译器编译，以及这些代码的执行频率。

2.2 使用 opcache.save_comments 和 opcache.load_comments 查看机器码 (间接方法)

虽然 Opcache 本身并没有直接提供查看机器码的 API，但我们可以通过一些间接的方法来观察 JIT 编译器的行为。一个常用的技巧是使用 opcache.save_comments 和 opcache.load_comments 配置项。 虽然这两个配置项主要用于控制是否保存和加载代码中的注释，但它们也会影响 Opcache 对代码的编译和存储方式，进而影响 JIT 编译器的行为。

注意： 这种方法并不能直接查看机器码，而是通过观察 Opcache 的行为来推断 JIT 编译器的行为。

例如，我们可以编写一个简单的脚本：

<?php

/**
 * @opcache_compile_file
 */
function my_function($a, $b) {
    $sum = 0;
    for ($i = 0; $i < 1000; $i++) {
        $sum += $a * $b;
    }
    return $sum;
}

$result = my_function(2, 3);
echo "Result: " . $result . "n";

?>

在这个脚本中，我们使用 /** @opcache_compile_file */ 注释来提示 Opcache 编译这个文件。尽管这个注释本身对 JIT 编译器没有直接影响，但它可以帮助我们更好地理解 Opcache 的工作方式。

我们可以通过调整 opcache.save_comments 和 opcache.load_comments 配置项，并结合 opcache_get_status() 函数来观察 Opcache 的行为。 例如，我们可以禁用 opcache.save_comments，然后重新启动 PHP-FPM，看看 JIT 编译器的行为是否发生变化。

这种方法的局限性：

  • 间接性： 这种方法并不能直接查看机器码，而是通过观察 Opcache 的行为来推断 JIT 编译器的行为。
  • 依赖性： 这种方法依赖于 Opcache 的具体实现，可能会随着 Opcache 的版本变化而失效。
  • 复杂性： 理解 Opcache 的行为需要深入了解 Opcache 的内部机制。

2.3 使用扩展进行更深入的调试

对于更深入的调试，我们可以考虑编写 PHP 扩展，直接访问 Zend Engine 的内部数据结构，从而获取 JIT 编译后的机器码。

警告： 编写 PHP 扩展需要深入了解 Zend Engine 的内部机制，并且需要使用 C/C++ 语言。 这是一个高级主题，不适合初学者。

以下是一个示例，展示了如何编写一个 PHP 扩展来访问 JIT 编译后的机器码：

#ifdef HAVE_CONFIG_H
#include "config.h"
#endif

#include "php.h"
#include "php_ini.h"
#include "ext/standard/info.h"
#include "php_jit_debugger.h"
#include "Zend/zend_jit.h"

/* If you declare any globals in php_jit_debugger.h uncomment this:
ZEND_DECLARE_MODULE_GLOBALS(jit_debugger)
*/

/* True global resources - no need for thread safety here */
static int le_jit_debugger;

/* {{{ PHP_INI
*/
/* Remove comments and fill if you need to have entries in php.ini
PHP_INI_BEGIN()
    STD_PHP_INI_ENTRY("jit_debugger.global_value",      "42", PHP_INI_ALL, OnUpdateLong, global_value, zend_jit_debugger_globals, jit_debugger_globals)
    STD_PHP_INI_ENTRY("jit_debugger.global_string", "foobar", PHP_INI_ALL, OnUpdateString, global_string, zend_jit_debugger_globals, jit_debugger_globals)
PHP_INI_END()
*/
/* }}} */

/* {{{ proto string jit_debugger_hello(string arg)
   Return a string to confirm that the module is compiled in */
PHP_FUNCTION(jit_debugger_hello)
{
    char *arg = NULL;
    size_t arg_len;
    zend_string *strg;

    ZEND_PARSE_PARAMETERS_START(1, 1)
        Z_PARAM_STRING(arg, arg_len)
    ZEND_PARSE_PARAMETERS_END();

    strg = strpprintf(0, "Hello, %s!", arg);

    RETURN_STR(strg);
}
/* }}} */

/* {{{ proto array jit_debugger_get_jit_code(string function_name)
 *  Return the JITed code for a given function */
PHP_FUNCTION(jit_debugger_get_jit_code)
{
    char *function_name = NULL;
    size_t function_name_len;

    ZEND_PARSE_PARAMETERS_START(1, 1)
        Z_PARAM_STRING(function_name, function_name_len)
    ZEND_PARSE_PARAMETERS_END();

    zend_function *func = zend_hash_str_find_ptr(EG(function_table), function_name, function_name_len);

    if (!func) {
        RETURN_NULL();
    }

    if (!(func->op_array.jit.code)) {
        RETURN_NULL();
    }

    void *jit_code = func->op_array.jit.code;
    size_t jit_code_size = func->op_array.jit.size;

    array_init(return_value);

    // Copy the JIT code into a PHP string for return
    zend_string *code_str = zend_string_init((char*)jit_code, jit_code_size, 0);
    add_assoc_str(return_value, "code", code_str);

    add_assoc_long(return_value, "size", jit_code_size);

}
/* }}} */

/* {{{ PHP_MINIT_FUNCTION
*/
PHP_MINIT_FUNCTION(jit_debugger)
{
    /* If you have INI entries, uncomment these lines
    REGISTER_INI_ENTRIES();
    */
    return SUCCESS;
}
/* }}} */

/* {{{ PHP_MSHUTDOWN_FUNCTION
*/
PHP_MSHUTDOWN_FUNCTION(jit_debugger)
{
    /* uncomment this line if you have INI entries
    UNREGISTER_INI_ENTRIES();
    */
    return SUCCESS;
}
/* }}} */

/* {{{ PHP_RINIT_FUNCTION
*/
PHP_RINIT_FUNCTION(jit_debugger)
{
#if defined(COMPILE_DL_JIT_DEBUGGER) && defined(ZTS)
    ZEND_TSRMLS_CACHE_UPDATE();
#endif
    return SUCCESS;
}
/* }}} */

/* {{{ PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION
*/
PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION(jit_debugger)
{
    return SUCCESS;
}
/* }}} */

/* {{{ PHP_MINFO_FUNCTION
*/
PHP_MINFO_FUNCTION(jit_debugger)
{
    php_info_print_table_start();
    php_info_print_table_header(2, "jit_debugger support", "enabled");
    php_info_print_table_end();

    /* Remove comments if you have entries in php.ini
    DISPLAY_INI_ENTRIES();
    */
}
/* }}} */

/* {{{ jit_debugger_functions[]
 *
 * Every user visible function must have an entry in jit_debugger_functions[].
 */
const zend_function_entry jit_debugger_functions[] = {
    PHP_FE(jit_debugger_hello,  arg_info_jit_debugger_hello)
    PHP_FE(jit_debugger_get_jit_code, arg_info_jit_debugger_get_jit_code)
    PHP_FE_END  /* Must be the last line in jit_debugger_functions[] */
};
/* }}} */

/* {{{ jit_debugger_module_entry
*/
zend_module_entry jit_debugger_module_entry = {
    STANDARD_MODULE_HEADER,
    "jit_debugger",
    jit_debugger_functions,
    PHP_MINIT(jit_debugger),
    PHP_MSHUTDOWN(jit_debugger),
    PHP_RINIT(jit_debugger),      /* Replace with NULL if there's nothing to do at request start */
    PHP_RSHUTDOWN(jit_debugger),    /* Replace with NULL if there's nothing to do at request end */
    PHP_MINFO(jit_debugger),
    PHP_JIT_DEBUGGER_VERSION,
    STANDARD_MODULE_PROPERTIES
};
/* }}} */

#ifdef COMPILE_DL_JIT_DEBUGGER
#ifdef ZTS
ZEND_TSRMLS_CACHE_DEFINE()
#endif
ZEND_GET_MODULE(jit_debugger)
#endif

这个扩展提供了一个 jit_debugger_get_jit_code 函数，可以获取指定函数的 JIT 编译后的机器码。

注意： 这个示例代码只是一个框架，需要根据具体的 Zend Engine 版本进行调整。

这个方法的优点：

  • 直接性： 可以直接访问 Zend Engine 的内部数据结构，获取 JIT 编译后的机器码。
  • 灵活性： 可以根据需要定制调试工具，满足特定的调试需求。

这个方法的缺点：

  • 复杂性： 需要深入了解 Zend Engine 的内部机制，并且需要使用 C/C++ 语言。
  • 维护性： 需要根据 Zend Engine 的版本变化进行维护。
  • 风险性： 直接访问 Zend Engine 的内部数据结构可能会导致程序崩溃。

3. JIT 调试技巧与最佳实践

  • 逐步启用 JIT： 逐步启用 JIT 可以帮助我们更好地理解 JIT 编译器的行为，并避免潜在的问题。 我们可以先启用 Tracing JIT，然后启用 Function JIT。
  • 监控 JIT 统计数据： 通过 opcache_get_status() 函数监控 JIT 的统计数据，可以帮助我们了解 JIT 编译器的运行情况，并发现潜在的性能问题。
  • 使用调试工具： 使用调试工具可以帮助我们更深入地了解 JIT 编译器的行为，并解决潜在的问题。
  • 编写单元测试： 编写单元测试可以帮助我们验证 JIT 编译器的正确性，并避免潜在的 Bug。
  • 理解 JIT 的局限性： JIT 编译器并不是万能的。它只能优化热点代码，对于冷代码，JIT 编译器并不能带来性能提升。 此外，JIT 编译器的编译过程本身也会消耗一定的资源。

4. 案例分析：优化循环密集型代码

假设我们有一个循环密集型的函数：

<?php

function calculate_sum($n) {
    $sum = 0;
    for ($i = 0; $i < $n; $i++) {
        $sum += $i;
    }
    return $sum;
}

$start = microtime(true);
$result = calculate_sum(1000000);
$end = microtime(true);

echo "Result: " . $result . "n";
echo "Time: " . ($end - $start) . " secondsn";

?>

这个函数计算从 0 到 n-1 的整数之和。 这是一个典型的循环密集型代码，非常适合使用 JIT 编译器进行优化。

我们可以通过以下步骤来优化这个函数：

  1. 启用 JIT： 在 php.ini 文件中启用 JIT 编译器。
  2. 监控 JIT 统计数据： 使用 opcache_get_status() 函数监控 JIT 的统计数据，确保这个函数被 JIT 编译器编译。
  3. 调整 JIT 配置： 根据需要调整 JIT 编译器的配置，例如 opcache.jit_buffer_size。
  4. 运行性能测试： 运行性能测试，比较启用 JIT 前后的性能差异。

通过以上步骤，我们可以发现启用 JIT 后，这个函数的性能得到了显著提升。

5. JIT 的未来发展趋势

JIT 编译器是 PHP 性能提升的关键特性，未来 JIT 编译器将朝着以下方向发展：

  • 更智能的编译策略： 未来的 JIT 编译器将采用更智能的编译策略，例如动态调整编译级别，根据代码的执行情况选择不同的编译策略。
  • 更广泛的代码覆盖： 未来的 JIT 编译器将支持更广泛的代码覆盖，例如支持更多的语言特性，支持更多的扩展。
  • 更好的调试工具： 未来的 JIT 编译器将提供更好的调试工具，例如支持源码级别的调试，支持性能分析。
  • 更低的资源消耗： 未来的 JIT 编译器将降低资源消耗，例如减少编译时间，减少内存占用。

结论：理解 JIT 的工作原理至关重要

理解 PHP 8 JIT 编译器的调试与监控对于开发高性能的 PHP 应用程序至关重要。通过 Opcache 工具，可以监控 JIT 的运行情况，并根据需要调整 JIT 编译器的配置。 虽然直接查看机器码比较困难，但通过间接方法和编写 PHP 扩展，可以更深入地了解 JIT 编译器的行为。 随着 JIT 编译器的不断发展，我们相信 PHP 的性能将会得到进一步提升。

希望这次讲座对您有所帮助，谢谢大家！

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