Оптимизируем загрузку PHP-кода в 22 раза, или почему FastCGI не ускоряет PHP

FastCGI работает следующим образом: скрипт загружается в память, запускает некоторый тяжелый код инициализации (например, подключает объемистые библиотеки), а затем входит в цикл обработки входящих HTTP-запросов. Один и тот же процесс-скрипт обрабатывает несколько различных запросов один за другим, что отличается от работы в CGI-режиме, когда на каждый запрос создается отдельный процесс, «умирающий» после окончания обработки. Обычно, обработав N запросов, FastCGI-скрипт завершается, чтобы сервер перезапустил его вновь уже в «чистой песочнице».

Для ускорения обработки стартует, конечно, не один процесс-скрипт, а сразу несколько, чтобы каждый следующий запрос не ждал обработки предыдущего. Как число одновременно запускаемых процессов, так и количество последовательных запросов на один процесс можно задавать в конфигурации сервера.

Старые скрипты, написанные с расчетом на CGI, приходится дорабатывать, чтобы они могли работать в FastCGI-окружении (касается использования FastCGI в Си, Perl и т. д.; на PHP дорабатывать не нужно, но у этого свои недостатки, см. ниже). Действительно, ведь раньше скрипт стартовал каждый раз «с чистого листа», а теперь ему приходится иметь дело с тем «мусором», который остался от предыдущего запроса. Если раньше CGI-скрипт на Perl выглядел как

use SomeHeavyLibrary;
print "Hello, world!\n";

то после переделки под FastCGI он становится похож на что-то типа

use SomeHeavyLibrary;
while ($request = get_fastcgi_request()) {
    print "Hello, world!\n";
}

Таким образом, получается экономия в скорости ответа: ведь каждый раз, когда приходит запрос, скрипту не нужно выполнять «тяжелый» код инициализации библиотек (подчас занимающий десятки секунд).

FastCGI имеет значительный недостаток: новый запрос начинает обрабатываться не в «чистом» окружении, а в том, которое осталось «с прошлого раза». Если в скрипте имеются утечки памяти, они постепенно накапливаются до тех пор, пока не произойдет крах. Это же касается и ресурсов, которые забыли освободить (открытые файлы, соединения с БД и т. д.). Есть и еще один недостаток: если код скрипта изменился, то приходится как-то сообщать об этом FastCGI-серверу, чтобы он «убил» все свои процессы и начал заново.

Собственно, техника «иницилизируйся один раз, обрабатывай много запросов» работает не только в FastCGI. Любой сервер, написанный на том же самом языке, что и скрипт, под ним запущенный, использует ее неявно. Например, сервер Mongrel написан целиком на Ruby как раз для того, чтобы под ним быстро запускать Ruby On Rails. Сервер Apache Tomcat, написанный на Java, быстро выполняет Java-сервлеты, т.к. не требует их повторной инициализации. Технология mod_perl также основана на том, что Perl-код не выгружается между запросами, а остается в памяти. Конечно, все эти серверы имеют те же самые проблемы с непредсказуемостью, утечками памяти и сложностью перезапуска, что и FastCGI-приложение.

Не верьте! В действительности поддержка FastCGI в PHP имеет чисто номинальный характер. Точнее, она не дает преимуществ в том смысле, в котором ей привыкли оперировать для уменьшения времени инициализации скрипта. Конечно, вы можете запустить PHP FastCGI-сервер и даже заставить nginx или lighttpd работать с ним напрямую, однако прирост скорости на загрузку кода, который вы от этого получите, будет нулевым. Тяжелые PHP-библиотеки (например, Zend Framework) как загружались долго в mod_php- или CGI-режимах, так и будут продолжать загружаться долго в режиме FastCGI.

Собственно, это неудивительно: ведь чтобы запустить любой PHP-скрипт в FastCGI-режиме, его не приходится дорабатывать. Ни строчки измененного кода! Когда я впервые решил поэкспериментировать с FastCGI в PHP, я потратил несколько часов времени на поиски в Интернете информации о том, как именно следует модифицировать PHP-код, чтобы оптимально запускать его в режиме FastCGI. Я проштудировал всю документацию PHP и несколько десятков форумов PHP-разработчиков, даже просмотрел исходный код PHP, но так и не нашел ни единой рекомендации. Имея прежний опыт работы с FastCGI в Perl и Си, я был несказанно удивлен. Однако все встало на свои места, когда выяснилось, что изменять код не нужно и, хотя в рамках одного FastCGI-процесса обрабатываются несколько соединений, PHP-интерпретатор каждый раз инициализируется заново (в отличие от «классического» FastCGI). Более того, похоже, большинство PHP-разработчиков, радостно использующих FastCGI+PHP, даже не подозревают о том, что оно должно работать как-то по-другому…

Существует ряд инструментов, кэширующих в разделяемой оперативной памяти (shared memory) оттранслированное внутреннее представление PHP-кода. Таким образом, при повторном включении PHP-файла он уже не транслируется, а байт-код берется из кэша в памяти. Естественно, это значительно ускоряет работу.

Одним из таких инструментов является eAccelerator. Он устанавливается в виде расширения PHP (подключается в php.ini) и требует самой минимальной настройки. Рекомендую включить в нем режим кэширования байт-кода исключительно в оперативной памяти и отключить сжатие (установить параметры eaccelerator.shm_only=1 и eaccelerator.compress=0). Также установите и настройте контрольную панель control.php, идущую в дистрибутиве eAccelerator, чтобы в реальном времени отслеживать состояние кэша. Без контрольной панели вам будет очень трудно проводить диагностику, если eAccelerator по каким-то причинам не заработает.

Преимущество eAccelerator в том, что он работает весьма стабильно и быстро даже на больших объемах PHP-кода. У меня ни разу не возникало проблем с этим инструментом (в отличие от Zend Accelerator, к примеру).

Многие на этом месте посмеются и скажут, что не надо использовать Zend Framework и Propel, т.к. они «тормозные». Но действительность заключается в том, что тормозные вовсе даже не они… Плохую производительность имеет метод, который по умолчанию использует PHP для загрузки кода. К счастью, ситуацию нетрудно исправить.

Чтобы не быть голословным, я приведу результаты небольшого тестирования, которое я специально провел в «чистом» окружении, не привязанном к какому-либо конкретному проекту. Тестировалась скорость подключения всех файлов Zend Framework (за исключением Zend_Search_Lucene). Предварительно из кода были вырезаны все вызовы require_once, а загрузка зависимостей поизводилась только через механизм autoload.

Итак, всего подключались 790 PHP-файлов общим объемом 4.9 МБ. Немало, верно? Подключение осуществлялось примерно так:

function __autoload($className) {
    $fname = str_replace('_', '/', $className) . '.php';
    $result = require_once($fname);
    return $result;
}
// Подключаем классы один за другим в порядке их зависимостей.
class_exists('Zend_Acl_Assert_Interface');
class_exists('Zend_Acl_Exception');
class_exists('Zend_Acl_Resource_Interface');
class_exists('Zend_Acl_Resource');
// ... и так для всех 790 файлов

Благодаря тому, что используется autoload, вызов class_exists() заставляет PHP подключить файл соответствующего класса. (Это самый простой способ «дернуть» autoload-функцию.) Порядок подключения я выбрал таким, чтобы каждый следующий класс уже имел загруженными все свои зависимые классы на момент запуска. (Этот порядок нетрудно установить, просто печатая в браузер значение $fname в функции __autoload).

Вот результаты тестирования с eAccelerator-ом и без на моем не очень мощном ноутбуке (Apache, mod_php):

• Подключение всех файлов по одному, eAccelerator выключен: 911 мс.
• Подключение всех файлов по одному, eAccelerator включен: 435 мс. Занято 15 М кэш-памяти под байт-код.

Как видите, eAccelerator дает примерно двукратное ускорение на 790 файлах общим объемом 4.9 МБ. Слабовато. К тому же, 435 мс — явно чересчур для скрипта, который только и делает, что подключает библиотеки.

• Включение одного большого слитого файла, eAccelerator выключен: 458 мс.
• Включение одного большого слитого файла, eAccelerator включен: 42 мс. Занято 31 МБ кэш-памяти под байт-код.

Первая строчка говорит о том, что один большой файл размером 4.9 МБ и правда загружается быстрее, чем 790 маленьких: 458 мс против 911 мс (см. выше). Экономия в 2 раза.

А вот вторая строчка заставила меня от удивления подпрыгнуть на стуле и перепроверить результат несколько раз. Надеюсь, это же произойдет и с вами. Действительно, 42 мс — это в 11 раз быстрее, чем с отключенным eAccelerator-ом! Получается, что eAccelerator еще меньше любит мелкие файлы (кстати, даже в режиме eaccelerator.check_mtime=0): экономия в 11 раз.

Итак, мы действительно получили ускорение загрузки в 22 раза, как и было обещано в заголовке. Раньше весь Zend Framework, разбитый на файлы, подключался 911 мс, а с использованием eAccelerator и объединенем всех файлов в один — 42 мс. И это, заметьте, не на реальном сервере, а всего лишь на рядовом ноутбуке.

• Слияние всех файлов в один большой плюс включение eAccelerator для этого большого файла дает ускорение в 22 раза при объеме кода 4.9 МБ и числе файлов 790.
• В случае небольшого числа файлов значительного объема eAccelerator может дать 10-кратное ускорение. Если файлов много, а суммарный объем большой, то ускорение примерно в 2 раза.
• Расход кэш-памяти зависит от числа файлов разбиения: при фиксированном объеме чем файлов больше, тем расход меньше.

При всем при этом eAccelerator лишен основных проблем «настоящего» FastCGI-сервера. Скрипты избавлены от утечек памяти и запускаются в гарантировано «чистом» окружении. Вам также не надо следить за изменением кода и перезапускать сервер всякий раз, когда внесены модификации в мало-мальски глубинный код системы.

Заметьте также, что мы подключали весь Zend Framework. В реальных скриптах объем кода будет сильно меньше, т.к. обычно для работы требуется лишь незначительная часть ZF. Но даже при условии, что библиотеки занимают 4.9 МБ, мы получаем время загрузки 42 мс — вполне приемлемое для PHP-скрипта. Ведь в нагруженных проектах PHP-скрипты могут работать и несколько сотен миллисекунд (Facebook, Мой Круг и т. д.).

Конечно, если вы планируете запускать FastCGI в PHP не из соображений производительности, а просто чтобы не «завязываться» за Apache и ограничиться связкой «nginx+PHP» или «lighttpd+PHP», ничто этому не мешает. Более того, задействовав eAccelerator для FastCGI+PHP и слив много файлов кода в один большой, вы получите то же самое ускорение, которое я описал выше. Однако не тешьте себя надеждами, что ускорение дал именно FastCGI: это не так. Применяя mod_php+eAccelerator, вы достигли бы практически такого же результата, что и FastCGI+eAccelerator.

Также рекомендую вам отказаться от явного включения файлов по require_once и переходить на autoload. Только не пытайтесь использовать для этого Zend_Loader: он очень медленный (по моим замерам, подключение ста файлов отнимет дополнительно около 50 мс). Лучше напишите собственную несложную autoload-функцию, которая будет быстро выполнять всю работу. Autoload позволит вам безопасно объединять несколько файлов библиотек в один, не думая о том, как бороться с «ручными» require_once.

Наконец, применяйте функцию set_include_path(), чтобы код подключения библиотек выглядел вот так:

require_once "Some/Library.php";

а не так:

require_once LIB_DIR . "/Some/Library.php";

Константы, определяющие путь к директории библиотек явным образом, — большое зло и усложнение программы. Они также косвенно противоречат стандартам кодирования Zend Framework и PEAR, которых я тоже рекомендую по возможности придерживаться.

Итак, хотите использовать «тяжелые» библиотеки в PHP-скриптах — на здоровье! PHP — скриптовый язык, по-настоящему позволяющий это делать без оглядки на неудобства FastCGI и проблемы «встроенных» серверов.