PHP: černá magie optimalizace

Nedávno se mi podařilo zrychlit jeden PHP skript na setinu původního času. A stačilo změnit jen pár znaků ve zdrojovém kódu. Jak je to možné? Za drastickým zrychlením stojí vhodné užití referencí a přiřazování. Prozradím vám, jak to funguje. Nevěřte však bulvárnímu titulku, nejde o žádnou černou magii. Znova opakuji, stačí jen pochopit, jak PHP funguje uvnitř. Ale nebojte se, není to nic složitého.

Reference counting do hloubky

Jádro PHP si v paměti ukládá jména proměnných odděleně od jejich hodnot. Bezejmennou hodnotu popisuje struktura zval. Ta nese kromě surových dat také informaci o typu (boolean, string, …) a ještě dvě položky refcount a is_ref. Ano, refcount je právě počítadlo pro již zmíněný reference counting.

$abc = 'La Trine';

Co dělá skutečně tento kód? Vytvoří v paměti novou hodnotu zval, jejíž datová složka ponese 8 znaků La Trine a typ bude indikovat string. Zároveň se do tzv. tabulky proměnných přidá nový záznam abc a bude odkazovat na tuto hodnotu zval.

Ještě něco. Ve struktuře zval inicializujeme počítadlo refcount na jedničku, protože existuje právě jedna proměnná ($abc), která na něj ukazuje.

// 10MB velký řetězec
$sA = str_repeat(' ', 1e7);

$sB = $sA;

Jak si PHP poradí s přiřazením na druhém řádku? Samozřejmě, vytvoří v tabulce proměnných nový záznam sB. Teď pozor – záznam bude odkazovat na stejný zval, na jaký odkazuje již záznam sA. A zároveň inkrementuje počítadlo refcount.

Což je skvělé! Není potřeba zabrat dalších 10MB paměti, nedojde k časově náročnému kopírování dat. Operace proběhne bleskově.

Nojo, ale z pohledu PHP programátora jde o dvě různé proměnné. Co když jednu změním?

$sB .= 'the end';

Žádný strach, o všechno je postaráno. Když vznikne požadavek na zápis do proměnné, PHP se podívá na odkazovaný zval a zkontroluje počítadlo refcount. Pokud refcount > 1, tak celou hodnotu zval zduplikuje a nechá sB odkazovat na tuto kopii. Samozřejmě ještě sníží refcount u původního zval.

Pro úplnost ještě dodám, že konstrukce unset($sB) zruší záznam sB v tabulce proměnných a dekrementuje příslušný refcount. A jakmile refcount padne k nule, z paměti uvolní strukturu zval – už na ni totiž žádná proměnná neodkazuje.

Klasické reference, penetrované do hloubky

Zatím je vše jasné? Tak pojďme na druhou lekci a ukažme si, jak jádro nakládá s klasickými referencemi.

$a = 'La Trine';
$b = & $a;

Jakým způsobem PHP vykoná první řádek, to už dobře víte. Co se ale děje pod kapotou v případě řádku druhého? Když jsem popisoval strukturu zval, zmínil jsem se o is_ref. Jde o boolean, indikující, zda hodnota zval je či není referencí. A právě teď přichází jeho patnáct minut slávy.

PHP vytvoří proměnnou $b úplně stejně, jako v příkladu bez použití reference, jen navíc nastaví is_ref na true. V tuto chvíli se proměnné $a i $b (obě!) stávají referencemi, tak jak je známe.

Podstatný rozdíl přijde v okamžiku, kdy se pokusíme jednu proměnnou změnit. Protože is_ref je true, vynechá se test na refcount a s ním celý mechanismus duplikování. Prostě se rovnou změní společná hodnota zval. I když… ale k tomu se hned dostaneme.

Můžeme vytvářet další reference $xyz = & $a, rušit je unset($b), princip zůstává stejný. Jádro pracuje s tabulkou proměnných a aktualizuje počítadlo refcount.

Stále všechno srozumitelné? Jestli náhodou ne, zkuste si přečíst článek ještě jednou a pomaleji. Nyní totiž bude potřeba maximální soustředěnost.

Půvab pomalu mizí

Zkuste se zamyslet nad tím, jak PHP vykoná následující kód:

$a = 'La Trine';
$b = & $a;
$c = $a;

Proměnné $a a $c odkazují na tentýž zval, mající vynulovaný is_ref. Proměnné $a a $b ale zase potřebují mít is_ref nastavený. To lze vyřešit leda tak, že budeme mít dvě hodnoty zval.

Jinými slovy, řádek č. 3 musí duplikovat hodnotu zval:

Výše uvedený algoritmus pro vytváření nových proměnných je proto potřeba doplnit o podmínku: pokud je refcount > 1 a „neodpovídá“ požadovaný is_ref, tak holt duplikuj a nekoukej, co kde lítá.

Obdobně, duplikovat se bude i v tomto případě:

$a = 'I love La Trine :-)';
$b = $a
$c = & $a;

Vidíte to? Vytváření reference duplikuje hodnotu proměnné. Kopie, s nastaveným is_ref, bude odkazována proměnnými $a a $c (jen pro úplnost, refcount = 2).

Možná si teď říkáte, co to je za šílenost, proč je jádro PHP tak špatně navrženo? Věřte mi, není. Jde o běžný problém sdíleného vs. exkluzivního přístupu, jen se nazývá jinak. Dalo by se tomu vyhnout, ale změna návrhu by natolik zkomplikovala práci s proměnnými, že by byla v globálu zcela kontraproduktivní.

Optimalizace skriptu

Konečně můžu vysvětlit trik stojící za optimalizací zmíněného skriptu. Byl v něm následující kód:

	...
	$arr = &$this->table;
	foreach($ngram as $token) {
//	if(!array_key_exists($token, $arr)) {
//	  $arr[$token] = array();
//	}
	  $arr = &$arr[$token];
	}
	...

Mohlo by se zdát, že za úspěchem stojí odstranění funkce array_key_exists, která je nejspíš tak šíleně pomalá, až to celé stáhla ke dnu. No schválně, kdo si to myslel, ať mi pošle Nutellu 🙂 Kdepak. Pes je zakopán jinde.

Teď už víte, že předávaná proměnná $arr odkazuje zval, mající nastavený bit is_ref a počítadlo refcount = 2 (hodnota je odkazována z $arr a zároveň samotným prvkem pole). Co je klíčové, tak že tento zval pojímá obrovské pole.

Při přiřazení do funkce array_key_exists se stane nevyhnutelné – zval se musí zduplikovat. Což doslova zatáhne brzdu jedoucímu skriptu. Kdyby se volala třeba funkce key(), která parametr přebírá referencí, nebo kdybychom porušili zapovězenou syntax Call-time pass-by-reference a argument vnutili referencí array_key_exists($token, &$arr), tak ke kopírování nedojde. A skript se 600× zrychlí.

Bílá magie optimalizace

Mým cílem bylo smést pověry a mýty kolem referencí. Že jsou něco jako ukazatele, že zrychlí kód. Pravda je taková, že všechny proměnné jsou de facto ukazatelé. Jen se liší způsob, jak s nimi jádro PHP pracuje.

Pokud tyto principy znáte, můžete je využit ve svůj prospěch (zdůrazňuji slovo „můžete“). Můžete efektivněji nakládat s řetězci nebo poli. Jakmile vám přejdou do krve, budete je využívat zcela podvědomě, stane se z nich Coding Standard.