为 PHP 应用提速、提速、再提速!,第 2 部分: 分析 PHP 应用程序以查找、诊断和加速运行缓慢的代码

如果 PHP 应用程序运行缓慢,可以使用分析器找出应用程序究竟在哪些方面浪费了时间。可以将语句、循环、函数、类或者是运行缓慢的库作为分析目标。如果不是时间而是内存使用出现了问题,那么一个优秀的分析器还可以显示组件的内存占用情况。

Martin Streicher (mstreicher@linux-mag.com), 主编, Linux Magazine

Martin Streicher 是 Linux Magazine 的主编。他从普度大学获得了计算机科学硕士学位,从 1982 年开始用 Pascal、C、Perl、Java 和(最近)Ruby 编程语言编写类 UNIX 的系统。



2007 年 3 月 21 日

为 PHP 应用提速、提速、再提速!” 系列文章的 第 1 部分 演示了如何使用 XCache(PHP 操作码缓存) 加速整个站点。XCache(仅是少数几种缓存包中的一种)保留了编译过程的输出,去掉了其他冗余的工作。只要页面没有发生变化,缓存后的页面就能够胜任代理的作用。当页面发生变化时,缓存后的页面就会变为无效并被替换掉。

操作码缓存 —— 以及一个操作码优化器,通常由相同的包提供 —— 是一种加快站点响应的低成本技术。很多缓存包是免费的,并且是开源的,无需改变任何代码即可从中受益。

当然,在某些应用程序中,相比较实际的执行时间,将 PHP 源代码文件翻译为其相应的操作码所需的时间微不足道。连接到远程数据库服务器,使用低效的 SQL 语句进行查询,以及其他大量解析和操作数据的工作都非常的繁琐,也因此增加了开销,甚至产生浪费。良好的网络设计和灵巧的数据库结构可以使时间冗长和查询缓慢的情况有所改善,如果需要的话还可以向友好的专家请求帮助。但是,如果代码运行缓慢,您可能更希望自己处理。

但是从何开始呢?正如人们普遍认为的,在代码完成前调试代码的做法很不明智 —— 因为代码的首次实现可能会非常的迅速。当代码正确且能实现相应的功能时,不管其表面上看起来运行缓慢还是实际如此,首先要做的就是对其性能进行测试或基准测试。不执行这样的诊断而尝试去优化代码无疑是在黑暗中摸索。

一个简单的性能指标是挂钟时间(wall clock time),或测量页面请求与完成呈现之间的实际延迟。对于某些情况 —— 比如在您自己的工作站本地运行的 Web 服务器、数据库和浏览器 —— 挂钟时间能够提供信息。然而,挂钟时间对于其他大多数情况而言并无实际意义,比如网络延迟时间、活动的 Web 服务器或者活动的数据库。

一种更精确的测量 —— 甚至可以测量运行单个源代码语句的时间 —— 可以采用代码分析器。分析器通常被实现为 PHP 运行时引擎的扩展,记录语句开始和结束的 delta、记录程序开始和结束之间的 delta 并捕获对来到的请求形成响应的总时间。有了这种垂直度,就可以将语句、循环、函数、类或者是运行缓慢的库作为分析目标。如果不是时间而是内存使用出现了问题,那么一个优秀的分析器还可以显示组件的内存占用情况。

PHP 的一个较流行的分析器是 Xdebug,它还为交互地调试 PHP 应用程序提供了服务器挂钩(hook)。(参见“调试的更好方法”以了解更多信息。该系列的另一部分将探讨高级交互式调试。) Xdebug 很容易从源代码构建,将其作为 Zend 扩展进行安装也非常简单。(现在已有针对某些平台的二进制文件。)当就绪后,对基于 PHP 页面的每个请求都将生成可在 KCacheGrind 中查看的数据集。

构建并安装 Xdebug

如果具备了 PHP 实用工具 phpizephp-config,而且具有对系统的 php.ini 配置文件的访问权,那么安装和设置 Xdebug 只需几分钟的时间。下面给出的指导说明针对 Linux®,不过在 Mac OS X 上的安装步骤实际上与此类似。(您可以从 Xdebug Web 站点找到针对 Microsoft® Windows® 的 Xdebug 预编译版本。)

Xdebug 的最新版本为 V2.0.0RC3(最终版本 V2.0.0 在您阅读此文时也许已经可用)。下载并解包 tarball,然后切换到源代码的子目录。确保 phpizephp-config 位于 shell 的 PATH,准备使用 phpize 进行构建。

清单 1. 设置 Xdebug
$ wget http://www.xdebug.org/files/xdebug-2.0.0RC3.tgz
$ tar xzf xdebug-2.0.0RC3.tgz
$ cd xdebug-2.0.0RC3/xdebug-2.0.0RC3
$ phpize
Configuring for:
PHP Api Version:         20020918
Zend Module Api No:      20020429
Zend Extension Api No:   20050606

phpize 的产品是一个脚本 —— 名为配置 —— 它对余下的构建过程进行配置。要构建 Xdebug,在 make 后紧接着输入 ./configure 即可。

清单 2. 构建 Xdebug
$ ./configure
checking build system type... i686-apple-darwin8.8.1
checking host system type... i686-apple-darwin8.8.1
checking for egrep... grep -E
...
$ make
...
Build complete.
(It is safe to ignore warnings about tempnam and tmpnam).

make 命令生成 Xdebug 扩展,xdebug.so。剩下的工作就是使用 sudo make install 进行安装。

$ sudo make install
Installing shared extensions: /usr/lib/php/extensions/no-debug-non-zts-20020429/

注: 如果在终端窗口中运行最后一个命令,请选择并复制最后一步中发出的目录。在下一个步骤中将会用到它。

最后,要使配置数据可视化,必须使用 KCacheGrindGraphViz。包含 K Desktop Environment (KDE)的 Linux 发行版很可能已经含有了 KCacheGrindGraphViz。如果没有包含,适合您所使用的 Linux 的那些版本也不难找到。Debian 用户可以使用 Advanced Packaging Tool (APT) 快速安装 KCacheGrindGraphViz 以及所有包的依赖关系。

清单 3. 安装 KCacheGrind
$ apt-cache search kcachegrind
valgrind-callgrind - call-graph skin for valgrind
kcachegrind - visualisation tool for valgrind profiling output
kcachegrind-converters - format converters for KCachegrind profiling visualisation tool
$ apt-cache search graphviz
graphviz - rich set of graph drawing tools
graphviz-dev - graphviz Libs and Headers against which to build applications
graphviz-doc - additional documentation for graphviz
libdeps-renderer-dot-perl - DEPS renderer plugin using GraphViz/dot
...
$ sudo apt-get install kcachegrind graphviz 
...

如果没有将 KDE 安装到系统中,KCacheGrindGraphViz 以及所有必要的内容将占用大约 90 MB 的磁盘空间。


配置 Xdebug

安装了 Xdebug 扩展后,就可以准备启用和配置该扩展了。在文本编辑器中打开 php.ini,并添加以下代码行。

清单 4. 启用和配置该扩展
zend_extension = /usr/lib/php/extensions/no-debug-non-zts-20020429/xdebug.so
xdebug.profiler_output_dir = "/tmp/xdebug/"
xdebug.profiler_enable = Off
xdebug.profiler_enable_trigger = 1

第一行 zend_extension 加载 Xdebug 扩展。第二行命名放置分析器输出的目录。如果需要的话,创建命名的目标并更改其模式以允许用户对 Web 服务器进行写访问。

第三行禁用了分析器。然而,第四行将在设置 HTTP GETPOST 参数 XDEBUG_PROFILE 时启用分析器。(如果您希望一直使用分析器,在第三行代码中将 Off 更改为 On。)

添加这几行代码并验证了输出目录是可写的,然后重新启动 Web 服务器。对于其他 PHP 扩展,要验证 Xdebug 是否安装并可用,可以创建一个简单的骨架 PHP 程序来调用 phpinfo() 并查看结果。应该能够看到类似于图 1 所示的内容。(为简便起见,省略了完整输出的部分内容。)

图 1. Phpinfo 指明 Xdebug 是否已安装
Phpinfo 指明 Xdebug 是否已安装

您还可以向下滚动到 Zend 徽标。如果正确安装并配置了 Xdebug,它将显示在徽标的旁边。


使用分析器

要分析代码,只需将浏览器指向 PHP 应用程序即可。如果您将分析器设置为对每个触发逐个解决的方式,将 XDEBUG_PROFILE=1 追加到 URL 中,或者,像下面一样,将参数嵌入到表单中。

作为一个示例,我们来分析一下这个简单的 ACME Fibonacci Maker,fibonacci.php,如清单 5 所示。为方便起见,将 XDEBUG_PROFILE 参数设置在表单的隐藏变量内。(当代码投入生产时,很可能将禁用 Xdebug,呈现这个变量将不会造成什么损失。)

清单 5. Fibonacci.php
<?php
  function fib($nth = 1) {
    if ( $nth < 2 ) {
      return( $nth ); 
    }
    
    return( fib( $nth - 1) + fib( $nth - 2 ) );
  }
?> 
  
<html>
  <head>
    <title>ACME Fibonacci Maker</title>
  </head>
  <body>
    <h2>Try the ACME Fibonacci Maker!</h2>
    <form action="fibonacci.php" method="POST">
    <input type="hidden" name="XDEBUG_PROFILE" value="1" />
    Enter a number: <input type="text" name="n"></input>
    </form>
    <hr />

<?php  
  if ( ! empty( $_REQUEST['n'] ) ) {
    $n = $_REQUEST['n'] % 10;
    $suffix = array( 1 => "st", 2 => "nd", 3 => "rd" );
    if ( $_REQUEST['n'] < 4 || $_REQUEST['n'] > 20 ) {
      $suffix = $suffix[$n];
    }
    else {
      $suffix = 'th';
    }
    
    echo '<p>The ' . $_REQUEST['n'] . $suffix .' Fibonacci number is ';
    echo fib( $_REQUEST['n'] ) . '</p>';
  }
?>
  </body>
</html>

将浏览器指向 http://localhost/fibonacci.php(或者合适的 URL)并输入数字 —— 比如,16。其结果 —— Fibonacci 系列的第 16 个元素 —— 如图 2 所示。

图 2. 示例 Fibonacci 应用程序
示例 Fibonacci 应用程序

如果将分析器输出目录中的内容(名为 php.ini)列出来的话,应该能看到类似 cachegrind.out.951917687 这样名称的文件。cachegrind.out. 前缀是固定的。默认情况下,数值后缀是目录路径到 fibonacci.php 文件的 CRC32 散列。因此,如果每一个应用程序都位于自己的目录,那么每个程序的输出将根据文件名而被分隔。(如果您更喜欢将输出与时间相关联,将下面这行代码:

xdebug.profiler_output_name = timestamp

添加到 php.ini。)

从终端窗口启动 KCacheGrind 并打开 cachegrind.out.951917687。将立即打开一个类似于图 3 的新窗口。

图 3. KCacheGrind 应用程序
KCacheGrind 应用程序

单击 Callees 选项卡,双击源代码中突出显示的行,并从 Grouping 列表选择 Source File 。所看到的视图应变为类似图 4 所示的内容。

图 4. 查看结果
查看结果

正如您预期的一样,实际上全部的处理时间(70,989 毫秒的 99.87%)都花费在 3193 次对 fib() 函数的调用上了。要加快该应用程序(随着进一步执行 Fibonacci 序列,程序会随之变慢),应该避免重新计算 Fibonacci 数字这样代价高昂的重复工作。事实上,ACME Fibonacci Maker 能够很好地进行计算重用。

下面展示了 fib() 函数的优化版本。新的版本用内存换来了时间上的节省,因为它保留了中间的计算以便以后使用。图 5 展示了分析结果:与上次的 3192 次函数调用相比,这里仅需要 30 次调用(并且只有一半的调用需要计算结果),而时间则减少为只有 20 毫秒。

清单 6. 更新了的 fib() 函数
function fib($nth = 1) {
  static $fibs = array();

  if ( ! empty ($fibs[$nth] ) ) { 
    return( $fibs[$nth] );
  }
  
  if ( $nth < 2 ) {
    $fibs[$nth] = $nth;
  }
  else {  
    $fibs[$nth - 1] = fib( $nth - 1 );
    $fibs[$nth - 2] = fib( $nth - 2 );
    $fibs[$nth] = $fibs[$nth - 1] + $fibs[$nth -2];
  }
  
  return( $fibs[$nth] );
}
?>
图 5. 加快了的 Fibonacci 函数
加快了的 Fibonacci 函数

虽然单次运行应用程序能够指出一些问题(可以试试上面原始的应用程序中的 Fibonacci 序列的第 50 个元素 ),通常,还是需要通过几次调用收集统计信息以及查看模式。

如果保留默认的 “crc32” 命名模式,每次运行 fibonacci.php 时,将重写数据文件。然而,可以通过在 php.ini 中设置 xdebug.profiler_append = 1 改变这种行为并将后续运行追加到相同的文件。更改之后重新启动 Web 服务器。

图 6 显示了三次运行 Fibonacci Maker 之后数据合计的示例。总时间稍大于两秒;其中 99.97% 的时间花费在了 fib() 上。图 6 显示了 Call Graph 选项卡,它由 GraphVizdot 工具生成。关于 KCacheGrind 的具体用法不在本文讨论的范围之内,但是可以从网上获得其完整的文档。KCacheGrind 可以以很多种方法对数据进行交叉分析,根据您希望解决的问题选择合适的方法。

图 6. 合计分析数据
合计分析数据

调试的更好方法

除了分析 PHP 应用程序,还可以在发生错误并进行交互式调试时,配置 Xdebug 扩展(如其名字暗示的一样)来提供详细的栈跟踪和错误消息。栈跟踪和错误消息可以指出错误的原因,而交互式调试允许每次逐步调试代码中的一条指令,查看程序变量的类型和值,并检查所有的 PHP 超全局变量,包括进来的请求参数。

本系列的下一篇文章将具体介绍交互式调试。同时,您可以启用几个 Xdebug 特性来说明应用程序在发生错误时的状态:

  • 无论何时只要应用程序出现错误,设置 xdebug.default_enable=On 显示栈跟踪。如果您已经花费时间安装了 Xdebug,那么只要进行代码开发就启用这个特性。
  • 还可以设置 xdebug.show_local_vars=1 来进一步显示最顶部范围内的所有变量。
  • xdebug.var_display_max_childrenxdebug.var_display_max_dataxdebug.var_display_max_depth> 是相关的三个设置,分别用来控制因 xdebug.show_local_vars 的使用而显示的变量的属性数、字符串长度和嵌套深度。

可以在 Xdebug Web 站点找到更多信息。


分析类

如果没有具体的代码,那么很难演示具有意义的分析,下面这个示例是十分典型的代码,展示了从中所能获得的信息。清单 7 显示了一个装配玩具火箭的应用程序(人为设计)。这种玩具火箭由几个部分组成,生产每一个部分都需要一定的时间。在 PHP 中,使用类代表每个组成部分,使用实例方法表示每个部分的构造时间。您可以将这个玩具看作是一个应用程序,并把每个部分看作是该应用程序的功能。

清单 7. 模拟玩具装配的一组 PHP 类
<?php
    define( 'BOOSTER', 5 );
    define( 'CAPSULE', 2 );
    define( 'MINUTE', 60 );
    define( 'STAGE', 3 );
    define( 'PRODUCTION', 1000 );
    
    class Part {
        function Part() {
            $this->build( MINUTE );
        }
        
        function build( $delay = 0 ) {
            if ( $delay <= 0 )
                return;
                
            while ( $delay-- > 0 ) {
            }
        }
    }
    
    class Capsule extends Part {
        function Capsule() {
          parent::Part();
            $this->build( CAPSULE * MINUTE );
        }
    }
    
    class Booster extends Part {
        function Booster() {
          parent::Part();
            $this->build( BOOSTER * MINUTE );
        }
    }
    
    class Stage extends Part {
        function Stage() {
          parent::Part();
          $this->build( STAGE * MINUTE );
        }
    }
    
    class SpaceShip {
        var $booster;
        var $capsule; 
        var $stages;
        
        function SpaceShip( $numberStages = 3 ) {
            $this->booster = new Booster();
            $this->capsule = new Capsule();
            $this->stages = array();
            
            while ( $numberStages-- >= 0 ) {
                $stages[$numberStages] = new Stage();
            }
        }
    }
    
    $toys = array();
    $count = PRODUCTION;
    
    while ( $count-- >= 0  ) {
      $toys[] = new SpaceShip( 2 );
    }
?>

<html>
<head>
<title>
Toy Factory Output
</title>
</head>
<body>
  <h1>Toy Production</h1>
  <p>Built <? echo PRODUCTION . ' toys' ?></p>
</body>
</html>

运行这些代码将生成一个新的数据文件。同样,将数据加载到 KCacheGrind。如果切换到 SourceCall Graph 选项卡,将看到类似图 7 所示的视图。

图 7. 太空船应用程序的配置文件
太空船应用程序的配置文件

Flat Profile 窗格(左面)显示了应用程序调用的所有函数(方法)。最左面的列展示了近似的累计总数,第二列展示了每种方法的单独测试,第三列列出了调用该方法的次数。在调用图表中使用有颜色的方块反映图表内容,这非常方便,能够很容易地将事件序列与其花费的时间关联起来。

很明显,构建阶段所使用的时间代价最昂贵。构建每一部分所需的系统开销(使用 Part 的构造器表示)次之。再看一下 PHP 自身的 define() 函数,它只花费了很少的开销。

最后,还可以查看内存的使用情况。从靠近顶部的下拉菜单中选择 MemoryClass,然后切换到顶部以及底部的 TypesCaller Map 选项卡。您看到的屏幕应该类似图 8。

图 8. 太空船应用程序的内存使用情况
太空船应用程序的内存使用情况

找回周期

和其他众多 PHP 扩展一样,Xdebug 容易构建、安装快捷且易于配置 —— 所有这些工作 10 分钟内即可完成。如果您已经优化了 Apache 安装并且对应用程序进行了缓存,但是性能仍然很差,那么可以考虑一下代码的运行。算法是否有效?代码是否过于复杂?是否重复实现了 PHP 已提供的函数?

当然,如果不能判断出应用程序的瓶颈所在,那么就必须进行查找并加以修复。不要只凭猜测 —— 要进行分析!您可能会惊讶于宝贵的计算周期是如何被轻意耗费掉的。

并且永远不要忘记:要在生产服务器中禁用 Xdebug,因为启用它总会增加系统开销。

参考资料

学习

  • 您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的 英文原文
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  • 查看 developerWorks 的 “PHP 推荐读物列表。”
  • PHP.net 是面向 PHP 开发人员的资源网站。
  • 浏览 developerWorks 上的所有 PHP 文章PHP 教程
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Zone=Open source, Web development
ArticleID=203229
ArticleTitle=为 PHP 应用提速、提速、再提速!,第 2 部分: 分析 PHP 应用程序以查找、诊断和加速运行缓慢的代码
publish-date=03212007