亿级用户PC主站的PHP7升级实践
背景
新浪微博在2016年Q2季度公布月活跃用户（MAU）较上年同期增长33%，至2.82亿；日活跃用户（DAU）较上年同期增长36%，至1.26亿，总注册用户达8亿多。PC主站作为重要的流量入口，承载部分用户访问和流量落地，其中我们提供的部分服务（如：头条文章）承担全网所有流量。
随着业务的增长，系统压力也在不断的增加。峰值时，服务器Hits达10W+，CPU使用率也达到了80%，远超报警阈值。另外，当前机房的机架已趋于饱和，遇到突发事件，只能对非核心业务进行降低，挪用这些业务的服务器来进行临时扩容，这种方案只能算是一种临时方案，不能满足长久的业务增长需求。再加上一年一度的三节（圣诞、元旦、春节），系统需预留一定的冗余来应对，所以当前系统面临的问题非常严峻，解决系统压力的问题也迫在眉急。
面对当前的问题，我们内部也给出两套解决方案同步进行。
· 方案一：申请新机房，资源统一配置，实现弹性扩容。
· 方案二：对系统进行优化，对性能做进一步提升。
针对方案一，通过搭建与新机房之间的专线与之打通，高峰时，运用内部自研的混合云DCP平台，对所有资源进行调度管理，实现了真正意义上的弹性扩容。目前该方案已经在部分业务灰度运行，随时能对重点业务进行小流量测试。
针对方案二，系统层面，之前做过多次大范围的优化，比如：
· 将Apache升级至Nginx
· 应用框架升级至Yaf
· CPU计算密集型的逻辑扩展化
· 弃用smarty
· 并行化调用
优化效果非常明显，如果再从系统层面进行优化，性能可提升的空间非常有限。好在业界传出了两大福音，分别为HHVM和PHP7。
方案选型
在PHP7还未正式发布时，我们也研究过HHVM（HipHop Virtual Machine），关于HHVM更多细节，这里就不再赘述，可参考官方说明。下面对它提升性能的方式进行一个简单的介绍。
默认情况下，Zend引擎先将PHP源码编译为opcode，然后Zend解析引擎逐条执行。这里的opcode码，可以理解成C语言级的函数。而HHVM提升性能方式为替代Zend引擎将PHP代码转换成中间字节码（HHVM自己的中间字节码，通常称为中间语言），然后在运行时通过即时（JIT）编译器将这些字节码转换成x64的机器码，类似于Java的JVM。
HHVM为了达到最佳优化效果，需要将PHP的变量类型固定下来，而不是让编译器去猜测。Facebook的工程师们就定义一种Hack写法，进而来达到编译器优化的目的，写法类似如下：
<? hh
class point {
public float $x, $y;
function __construct（float $x, float $y）{
$this->x = $x;
$this->y = $y;
}
}
通过前期的调研，如果使用HHVM解析器来优化现有业务代码，为了达到最佳的性能提升，必须对代码进行大量修改。另外，服务部署也比较复杂，有一定的维护成本，综合评估后，该方案我们也就不再考虑。
当然，PHP7的开发进展我们也一直在关注，通过官方测试数据以及内部自己测试，性能提升非常明显。
令人兴奋的是，在去年年底（2015年12月04日），官方终于正式发布了PHP7，并且对原生的代码几乎可以做到完全兼容，性能方面与PHP5比较能提升达一倍左右，和HHVM相比已经是不相上下。
无论从优化成本、风险控制，还是从性能提升上来看，选择PHP7无疑是我们的最佳方案。
系统现状以及升级风险
微博PC主站从2009年8月13日发布第一版开始，先后经历了6个大的版本，系统架构也随着需求的变化进行过多次重大调整。截止目前，系统部分架构如下。
从系统结构层面来看，系统分应用业务层、应用服务层，系统所依赖基础数据由平台服务层提供。
从服务部署层面来看，业务主要部署在三大服务集群，分别为Home池、Page池以及应用服务池。
为了提升系统性能，我们自研了一些PHP扩展，由于PHP5和PHP7底层差别太大，大部分Zend API接口都进行了调整，所有扩展都需要修改。
所以，将PHP5环境升级至PHP7过程中，主要面临如下风险：
· 使用了自研的PHP扩展，目前这些扩展只有PHP5版本，将这些扩展升级至PHP7，风险较大。
· PHP5与PHP7语法在某种程度上，多少还是存在一些兼容性的问题。由于涉及主站代码量庞大，业务逻辑分支复杂，很多测试范围仅仅通过人工测试是很难触达的，也将面临很多未知的风险。
· 软件新版本的发布，都会面临着一些未知的风险和版本缺陷。这些问题，是否能快速得到解决。
· 涉及服务池和项目较多，基础组件的升级对业务范围影响较大，升级期间出现的问题、定位会比较复杂。
对微博这种数亿用户级别的系统的基础组件进行升级，影响范围将非常之大，一旦某个环节考虑不周全，很有可能会出现比较严重的责任事故。
PHP7升级实践
1．扩展升级
一些常用的扩展，在发布PHP7时，社区已经做了相应升级，如：Memcached、PHPRedis等。另外，微博使用的Yaf、Yar系列扩展，由于鸟哥（laruence）的支持，很早就全面支持了PHP7。对于这部分扩展，需要详细的测试以及现网灰度来进行保障。
PHP7中，很多常用的API接口都做了改变，例如HashTable API等。对于自研的PHP扩展，需要做升级，比如我们有个核心扩展，升级涉及到代码量达1500行左右。
新升级的扩展，刚开始也面临着各式各样的问题，我们主要通过官方给出的建议以及测试流程来保证其稳定可靠。
官方建议
在PHP7下编译你的扩展，编译错误与警告会告诉你绝大部分需要修改的地方。
在DEBUG模式下编译与调试你的扩展，在run-time你可以通过断言捕捉一些错误。你还可以看到内存泄露的情况。
测试流程
首先通过扩展所提供的单元测试来保证扩展功能的正确性。
其次通过大量的压力测试来验证其稳定性。
然后再通过业务代码的自动化测试来保证业务功能的可用性。
最后再通过现网流量灰度来确保最终的稳定可靠。
整体升级过程中，涉及到的修改比较多，以下只简单列举出一些参数变更的函数。
（1）addassocstringl参数4个改为了3个。
//PHP5
add_assoc_stringl（parray, key, value, value_len）;
//PHP7
add_assoc_stringl（parray, key, value）;
（2）addnextindex_stringl参数从3个改为了2个。
//PHP5
add_next_index_stringl（parray, value, value_len）;
//PHP7 add_next_index_string（parray, value）; //PHP7
（3）RETURN_STRINGL参数从3个改为了2个。
//PHP5
RETURN_STRINGL（value, length, dup）;
//PHP7
RETURN_STRINGL（value, length）;
（4）变量声明从堆上分配，改为栈上分配。
//PHP5
zval＊ sarray_l;
ALLOC_INIT_ZVAL（sarray_l）;
array_init（sarray_l）;
//PHP7
zval sarray_l;
array_init（&sarray_l）;
（5）zendhashgetcurrentkey_ex参数从6个改为4个。
//PHP5
ZEND_API int ZEND_FASTCALL zend_hash_get_current_key_ex（
HashTable＊ ht，
char＊＊ str_index，
uint＊ str_length，
ulong＊ num_index，
zend_bool duplicate，
HashPosition＊ pos）;
//PHP7
ZEND_API int ZEND_FASTCALL zend_hash_get_current_key_ex（
const HashTable ＊ht，
zend_string ＊＊str_index，
zend_ulong ＊num_index，
HashPosition ＊pos）；
更详细的说明，可参考官方PHP7扩展迁移文档：https://wiki.PHP.net/PHPng-upgrading。
2. PHP代码升级
整体来讲，PHP7向前的兼容性正如官方所描述那样，能做到99%向前兼容，不需要做太多修改，但在整体迁移过程中，还是需要做一些兼容处理。
另外，在灰度期间，代码将同时运行于PHP5.4和PHP7环境，现网灰度前，我们首先对所有代码进行了兼容性修改，以便同一套代码能同时兼容两套环境，然后再按计划对相关服务进行现网灰度。
同时，对于PHP7的新特性，升级期间，也强调不允许被使用，否则代码与低版本环境的兼容性会存在问题。
接下来简单介绍下升级PHP7代码过程中，需要注意的地方。
（1）很多致命错误以及可恢复的致命错误，都被转换为异常来处理，这些异常继承自Error类，此类实现了Throwable接口。对未定义的函数进行调用，PHP5和PHP7环境下，都会出现致命错误。
undefine_function（）;
错误提示：
PHP Fatal error: Call to undefined function undefine_function（）
in /tmp/test.PHP on line 4
在PHP7环境下，这些致命的错误被转换为异常来处理，可以通过异常来进行捕获。
try {
undefine_function（）;
}
catch（Throwable $e）{
echo $e;
}
提示：
Error: Call to undefined function undefine_function（）in /tmp/
test.PHP:5 Stack trace:
#0 {main}
（2）被0除，PHP 7之前，被0除会导致一条E_WARNING并返回false。一个数字运算返回一个布尔值是没有意义的，PHP 7会返回如下的float值之一。
+INF
-INF
NAN
如下：
var_dump（42/0）; // float（INF）+E_WARNING
var_dump（-42/0）; // float（-INF）+ E_WARNING
var_dump（0/0）; // float（NAN）+E_WARNING
当使用取模运算符（%）的时候，PHP7会抛出一个DivisionByZeroError异常，PHP7之前，则抛出的是警告。
echo 42 % 0;
PHP5输出：
PHP Warning: Division by zero in /tmp/test.PHP on line 4
PHP7输出：
PHP Fatal error: Uncaught DivisionByZeroError: Modulo by zero
in /tmp/test.PHP:4 Stack trace: #
0 {main}
thrown in /tmp/test.PHP on line 4
PHP7环境下，可以捕获该异常：
try {
echo 42 % 0;
} catch（DivisionByZeroError $e）{
echo $e->getMessage（）;
}
输出：
Modulo by zero
（3）pregreplace（）函数不再支持"\e"（PREGREPLACEEVAL）．使用pregreplace_callback（）替代。
PHP5：
$content = preg_replace（"/#（[^#]+）#/ies", "strip_
tags（'#\\1#'）", $content）;
PHP7：
$content = preg_replace_callback（"/#（[^#]+）#/is"，
"self::strip_str_tags", $content）;
public static function strip_str_tags（$matches）{
return "#".strip_tags（$matches[1]）.'#';
}
（4）以静态方式调用非静态方法。
class foo {
function bar（）{
echo 'I am not static! ';
}
}
foo::bar（）;
以上代码PHP7会输出：
PHP Deprecated: Non-static method foo::bar（）should not be
called statically in /tmp/test.PHP on line 10
I am not static!
（5）E_STRICT警告级别变更。
原有的ESTRICT警告都被迁移到其他级别。ESTRICT常量会被保留，所以调用errorreporting（EALL|E_STRICT）不会引发错误。
关于代码兼容PHP7，基本上是对代码的规范要求更严谨。以前写的不规范的地方，解析引擎只是输出NOTICE或者WARNING进行提示，不影响对代码上下文的执行，而到了PHP7，很有可能会直接抛出异常，中断上下文的执行。
如：对0取模运行时，PHP7之前，解析引擎只抛出警告进行提示，但到了PHP7则会抛出一个DivisionByZeroError异常，会中断整个流程的执行。
对于警告级别的变更，在升级灰度期间，一定要关注相关NOTICE或WARNING报错。PHP7之前的一个NOTICE或者WARNING到了PHP7，一些报警级变成致命错误或者抛出异常，一旦没有对相关代码进行优化处理，逻辑被触发，业务系统很容易因为抛出的异常没处理而导致系统挂掉。
以上只列举了PHP7部分新特性，也是我们在迁移代码时重点关注的一些点，更多细节可参考官方文档http://PHP.net/manual/zh/migration70.PHP。
3．研发流程变更
一个需求的开发到上线，首先我们会通过统一的开发环境来完成功能开发，其次经过内网测试、仿真测试，这两个环境测试通过后基本保证了数据逻辑与功能方面没有问题。然后合并至主干分支，并将代码部署至预发环境，再经过一轮简单回归，确保合并代码没有问题。最后将代码发布至生产环境。
为了确保新编写的代码能在两套环境（未灰度的PHP5.4环境以及灰度中的PHP7环境）中正常运行，代码在上线前，也需要在两套环境中分别进行测试，以达到完全兼容。
所以，在灰度期间，对每个环节的运行环境除了现有的PHP5.4环境外，我们还分别提供了一套PHP7环境，每个阶段的测试中，两套环境都需要进行验证。
4．灰度方案
之前有过简单的介绍，系统部署在三大服务池，分别为Home池、Page池以及应用服务池。
在准备好安装包后，先是在每个服务池分别部署了一台前端机来灰度。运行一段时间后，期间通过错误日志发现了不少问题，也有用户投诉过来的问题，在问题都基本解决的情况下，逐渐将各服务池的机器池增加至多台。
经过前期的灰度测试，主要的问题得到基本解决。接下是对应用服务池进行灰度，陆续又发现了不少问题。前后大概经历了一个月左右，完成了应用服务池的升级。然后再分别对Home池以及Page池进行灰度，经过漫长灰度，最终完成了PC主站全网PHP7的升级。
虽然很多问题基本上在测试或者灰度期间得到了解决，但依然有些问题是全量上线后一段时间才暴露出来，业务流程太多，很多逻辑需要一定条件才能被触发。为此BUG都要第一时间同步给PHP7升级项目组，对于升级PHP引起的问题，要求必须第一时间解决。
5．优化方案
（1）启用Zend Opcache，启用Opcache非常简单，在PHP.ini配置文件中加入：
zend_extension=opcache.so
opcache.enable=1
opcache.enable_cli=1"
（2）使用GCC4.8以上的编译器来编译安装包，只有GCC4.8以上编译出的PHP才会开启Global Register for opline and execute_data支持。
（3）开启HugePage支持，首先在系统中开启HugePages，然后开启Opcache的hugecodepages。
关于HugePage
操作系统默认的内存是以4KB分页的，而虚拟地址和内存地址需要转换，而这个转换要查表，CPU为了加速这个查表过程会内建TLB（Translation Lookaside Buffer）。显然，如果虚拟页越小，表里的条目数也就越多，而TLB大小是有限的，条目数越多TLB的Cache Miss也就会越高，所以如果我们能启用大内存页就能间接降低这个TLB Cache Miss。
PHP7与HugePage
PHP7开启HugePage支持后，会把自身的text段，以及内存分配中的huge都采用大内存页来保存，减少TLB miss，从而提高性能。相关实现可参考Opcache实现中的accel_move_code_to_huge_pages（）函数。
开启方法
以CentOS 6.5为例，通过命令：
sudo sysctl vm.nr_hugepages=128
分配128个预留的大页内存。
$ cat /proc/meminfo | grep Huge
AnonHugePages: 444416 kB
HugePages_Total: 128
HugePages_Free: 128
HugePages_Rsvd: 0
HugePages_Surp: 0
Hugepagesize: 2048 kB
然后在PHP.ini中加入
opcache.huge_code_pages=1
6．关于负载过高，系统CPU使用占比过高的问题
当我们升级完第一个服务池时，感觉整个升级过程还是比较顺利，当灰度Page池，低峰时一切正常，但到了流量高峰，系统CPU占用非常高，如图：
系统CPU的使用远超用户程序CPU的使用，正常情况下，系统CPU与用户程序CPU占比应该在1/3左右。但我们的实际情况则是，系统CPU是用户CPU的2～3倍，很不正常。
对比了一下两个服务池的流量，发现Page池的流量正常比Home池高不少，在升级Home池时，没发现该问题，主要原因是流量没有达到一定级别，所以未触发该问题。当单机流量超过一定阈值，系统CPU的使用会出现一个直线的上升，此时系统性能会严重下降。
这个问题其实困扰了我们有一段时间，通过各种搜索资料，均未发现任何升级PHP7会引起系统CPU过高的线索。但我们发现了另外一个比较重要的线索，很多软件官方文档里非常明确的提出了可以通过关闭Transparent HugePages（透明大页）来解决系统负载过高的问题。后来我们也尝试对其进行了关闭，经过几天的观察，该问题得到解决，如图：
什么是Transparent HugePages（透明大页）
简单的讲，对于内存占用较大的程序，可以通过开启HugePage来提升系统性能。但这里会有个要求，就是在编写程序时，代码里需要显示的对HugePage进行支持。
而红帽企业版Linux为了减少程序开发的复杂性，并对HugePage进行支持，部署了Transparent HugePages。Transparent HugePages是一个使管理Huge Pages自动化的抽象层，实现方案为操作系统后台有一个叫做khugepaged的进程，它会一直扫描所有进程占用的内存，在可能的情况下会把4kPage交换为Huge Pages。
为什么Transparent HugePages（透明大页）对系统的性能会产生影响
在khugepaged进行扫描进程占用内存，并将4kPage交换为Huge Pages的这个过程中，对于操作的内存的各种分配活动都需要各种内存锁，直接影响程序的内存访问性能。并且，这个过程对于应用是透明的，在应用层面不可控制，对于专门为4k page优化的程序来说，可能会造成随机的性能下降现象。
怎么关闭Transparent HugePages（透明大页）
（1）查看是否启用透明大页。
[root@venus153～]# cat /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/
enabled
[always] madvise never
使用命令查看时，如果输出结果为[always]表示透明大页启用了，[never]表示透明大页禁用。
（2）关闭透明大页。
echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
（3）启用透明大页。
echo always > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
echo always > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
（4）设置开机关闭。
修改/etc/rc.local文件，添加如下行：
if test-f /sys/kernel/mm/redhat_transparent_hugepage/enabled;
then
echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
fi
升级效果
由于主站的业务比较复杂，项目较多，涉及服务池达多个，每个服务池所承担业务与流量也不一样，所以我们在对不同的服务池进行灰度升级，遇到的问题也不尽相同，导致整体升级前后达半年之久。庆幸的是，遇到的问题，最终都被解决掉了。最让人兴奋的是升级效果非常好，基本与官方一致，也为公司节省了不少成本。
以下简单地给大家展示下这次PHP7升级的成果。
（1）PHP5与PHP7环境下，分别对我们的某个核心接口进行压测（压测数据由QA团队提供），相关数据如下：
同样接口，分别在两个不现的环境中进行测试，平均TPS从95提升到220，提升达130%。
（2）升级前后，单机CPU使用率对比如下。
升级前后，1小时CPU使用率变化：
升级前后，在流量变化不大的情况下，CPU使用率从45%降至25%，CPU使用率降低44.44%。
（3）某服务集群升级前后，同一时间段1小时CPU使用对比如下。
PHP5环境下，集群近1小时CPU使用变化：
PHP7环境下，集群近1小时CPU使用变化：
升级前后，CPU变化对比（图见下页）：
升级前后，同一时段，集群CPU平均使用率从51.6%降低至22.9%，使用率降低56.88%。
以上只简单从三个维度列举了一些数据。为了让升级效果更加客观，我们实际的评估维度更多，如内存使用、接口响应时间占比等。最终综合得出的结论为，通过本次升级，PC主站整体性能提升在48.82%，效果非常好。团队今年的职能KPI就算是提前完成了。
总结
整体升级从准备到最终PC主站全网升级完成，时间跨度达半年之久，无论是扩展编写、准备安装脚本、PHP代码升级还是全网灰度，期间一直会出现各式各样的问题。最终在团队的共同努力下，这些问题都彻底得到了解决。
一直以来，对社区的付出深怀敬畏之心，也是因为他们对PHP语言性能极限的追求，才能让大家的业务坐享数倍性能的提升。同时，也让我们更加相信，PHP一定会是一门越来越好的语言。
作者简介
侯青龙，微博主站研发负责人。2010年加入新浪微博，先后参与过微博主站V2版至V6版的研发，主导过主站V6版以及多机房消息同步系统等重大项目的架构设计工作。致力于提升产品研发效率以及优化系统性能。