PHP APC缓存详解存储结构和操作

APC简介

APC,全称是Alternative PHP Cache,官方翻译叫”可选PHP缓存”。它为我们提供了缓存和优化PHP的中间代码的框架。 APC的缓存分两部分:系统缓存和用户数据缓存。

  • 系统缓存 它是指APC把PHP文件源码的编译结果缓存起来,然后在每次调用时先对比时间标记。如果未过期,则使用缓存的中间代码运行。默认缓存 3600s(一小时)。但是这样仍会浪费大量CPU时间。因此可以在php.ini中设置system缓存为永不过期(apc.ttl=0)。不过如果这样设置,改运php代码后需要重启WEB服务器。目前使用较多的是指此类缓存。
  • 用户数据缓存 缓存由用户在编写PHP代码时用apc_store和apc_fetch函数操作读取、写入的。如果数据量不大的话,可以一试。如果数据量大,使用类似memcache此类的更加专著的内存缓存方案会更好。

在APC中我们也可以享受APC带来的缓存大文件上传进度的特性,需要在php.ini中将apc.rfc1867设为1,并且在表单中加一个隐藏域 APC_UPLOAD_PROGRESS,这个域的值可以随机生成一个hash,以确保唯一。

APC与PHP内核的交互

APC是作为一个扩展添加到PHP体系中的。因此,按照PHP的扩展规范,它会有PHP_MINIT_FUNCTION、PHP_MSHUTDOWN_FUNCTION、PHP_RINIT_FUNCTION、PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION等宏定义的函数。在PHP_MINIT_FUNCTION(apc)中有调用apc_module_init中,并且在此函数中通过重新给zend_compile_file赋值以替换系统自带的编译文件过程,从而将APC自带的功能和相关数据结构插入到整个PHP的体系中。

这里会有一个问题,如果出现多个zend_compile_file的替换操作呢?在实际使用过程,这种情况会经常出现,比如当我们使用xdebug扩展时,又使用了apc,此时PHP是怎么处理的呢?不管是哪个扩展,在使用zend_compile_file替换时,都会有一个自己的compile_file函数(替换用),还有一个作用域在当前扩展的,一个旧的编译函数:old_compile_file。相当于每个扩展当中都保留了一个对于前一个编译函数的引用,形成一个单向链表。并且,所有最终的op_array都是在新的zend_compile_file中通过old_compile_file生成,即都会沿着这条单向链表,将编译的最终过程传递到PHP的zend_compile_file实现。在传递过程中,每经过一个节点,这些节点都会增加一些属于自己的数据结构,以实现特定的需求。

APC内部存储结构

在APC内部,对于系统缓存和用户缓存分别是以两个全局变量存储,从代码逻辑层面就隔离了两种缓存,当然,这两种存储的实现过程和数据结构是一样的,它们都是apc_cache_t类型,如下:

/* {{{ struct definition: apc_cache_t */
struct apc_cache_t {
void* shmaddr; 共享缓存的本地进程地址
cache_header_t* header; 缓存头,存储在共享内存中
slot_t** slots; 缓存的槽数组,存储在共享内存中
int num_slots; 存储在缓存中的槽个数
int gc_ttl; GC列表中槽的最大生存时间
int ttl; 如果对槽的访问时间大于这个TTL,需要则移除这个槽
apc_expunge_cb_t expunge_cb; /* cache specific expunge callback to free up sma memory */
uint has_lock; 为可能存在的造成同一进程递归锁而存在的标记 /* flag for possible recursive locks within the same process */
};
/* }}} */

对于一个缓存,apc_cache_t类型的变量是其入口,它包含了这个缓存的一些全局信息。每个缓存都会有多个缓存槽,包含在slots字段中,slots的个数包含在num_slots字段,槽的过程时间控制在于ttl字段。对于用户缓存和系统缓存,默认情况下系统缓存数量为1000,实际上APC创建了1031个,也就是说默认情况下APC最少可以缓存1031个文件的中间代码。当然这个值还需要考虑内存大小,计算slot的key后的分布等等。更多的关于缓存的统计信息存储在header字段中,header字段结构为cache_header_t,如下:

struct cache_header_t {
apc_lck_t lock; 读写锁,独占阻塞缓存锁
apc_lck_t wrlock; 写锁,为防止缓存爆满
unsigned long num_hits; 缓存命中数
unsigned long num_misses; 缓存未命中数
unsigned long num_inserts; 插入缓存总次数
unsigned long expunges; 清除的总次数
slot_t* deleted_list; 指向被清除的槽的链表
time_t start_time; 以上计数器被重置的时间
zend_bool busy; 当apc在忙于清除缓存时告诉客户端此时状态的标记
int num_entries; 统计的实体数
size_t mem_size; 统计的被用于缓存的内存大小
apc_keyid_t lastkey; 用户缓存最后一写入的key
};

一个缓存包含多个slots,每个slot都是一个slot结构体的变量,其结构如下:

struct slot_t {
apc_cache_key_t key; 槽的key
apc_cache_entry_t* value; 槽的值
slot_t* next; 链表中的下一个槽
unsigned long num_hits; 这个bucket的命中数/* number of hits to this bucket */
time_t creation_time; 槽的初始化时间
time_t deletion_time; 槽从缓存被移除的时间 /* time slot was removed from cache */
time_t access_time; 槽的最后一次被访问的时间
};

每个槽包含一个key,以apc_cache_key_t结构体存储;包含一个值,以apc_cache_entry_t结构体存储。如下:

typedef struct apc_cache_key_t apc_cache_key_t;
struct apc_cache_key_t {
apc_cache_key_data_t data;
unsigned long h; /* pre-computed hash value */
time_t mtime; /* the mtime of this cached entry */
unsigned char type;
unsigned char md5[16]; /* md5 hash of the source file */
};

结构说明如下:

  • data字段 apc_cache_key_data_t类型,一个联合体,存储key的关联信息,比如对于系统缓存,其可能会存储文件的路径或OS的文件device/inode;对于用户缓存可能会存储用户给定的标识或标识长度。
  • h字段 文件完整路径或用户给定的标识的hash值,使用的hash算法为PHP自带的time33算法;或者文件所在device和inode的和
  • mtime字段 缓存实体的修改时间
  • type字段 APC_CACHE_KEY_USER:用户缓存; APC_CACHE_KEY_FPFILE:系统缓存(有完整路径); APC_CACHE_KEY_FILE: 系统缓存(需要查找文件)
  • md5字段 文件内容的MD5值,这个字段与前面四个字段不同,它是可选项,可以通过配置文件的apc.file_md5启用或禁用。并且这个值是在初始化实体时创建的。看到这里源文件的md5值,想起之前做过一个关于MySQL数据表中访问路径查询的优化,开始时通过直接查询路径字段,在数据量达到一定级别时,出现了就算走索引还是会很慢的情况,各种方案测试后,采用了以新增一个关于访问路径的md5值查询解决。

除了入口,APC在最终的数据存储上对于系统缓存和用户缓存也做了区分,在_apc_cache_entry_value_t分别对应file和user。

typedef union _apc_cache_entry_value_t {
struct {
char *filename; /* absolute path to source file */
zend_op_array* op_array; 存储中间代码的op_array
apc_function_t* functions; /* array of apc_function_t's */
apc_class_t* classes; /* array of apc_class_t's */
long halt_offset; /* value of __COMPILER_HALT_OFFSET__ for the file */
} file; file结构体 系统缓存所用空间,包括文件名,,
struct {
char *info;
int info_len;
zval *val;
unsigned int ttl; 过期时间
} user; ser结构体 用户缓存所用空间
} apc_cache_entry_value_t;

初始化

在APC扩展的模块初始化函数(PHP_MINIT_FUNCTION(apc))中,APC会调用apc_module_init函数初始化缓存所需要的全局变量,如系统缓存则调用apc_cache_create创建缓存全局变量apce_cache,默认情况下会分配1031个slot所需要的内存空间,用户缓存也会调用同样的方法创建缓存,存储在另一个全局变量apc_user_cache,默认情况下会分配4099个内存空间。这里分配的空间的个数都是素数,在APC的代码中有一个针对不同数量的素数表primes(在apc_cache.c文件)。素数的计算是直接遍历素数表,找到表中第一个比需要分配的个数大的素数。

缓存key生成规则

APC的缓存中的每个slot都会有一个key,key是 apc_cache_key_t结构体类型,除了key相关的属性,关键是h字段的生成。 h字段决定了此元素落于slots数组的哪一个位置。对于用户缓存和系统缓存,其生成规则不同。

  • 用户缓存通过apc_cache_make_user_key函数生成key。通过用户传递进来的key字符串,依赖PHP内核中的hash函数(PHP的hashtable所使用的hash函数:zend_inline_hash_func),生成h值。
  • 系统缓存通过apc_cache_make_file_key函数生成key。通过APC的配置项apc.stat的开关来区别对待不同的方案。在打开的情况下,即 apc.stat= On 时,如果被更新则自动重新编译和缓存编译后的内容。此时的h值是文件的device和inode相加所得的值。在关闭的情况下,即apc.stat=off时,当文件被修改后,如果要使更新的内容生效,则必须重启Web服务器。此时h值是根据文件的路径地址生成,并且这里的路径是绝对路径。即使你是使用的相对路径,也会查找PG(include_path)定位文件,以取得绝对路径,所以使用绝对路径会跳过检查,可以提高代码的效率。

添加缓存过程

以用户缓存为例,apc_add函数用于给APC缓存中添加内容。如果key参数为字符串中,APC会根据此字符串生成key,如果key参数为数组,APC会遍历整个数组,生成key。根据这些key,APC会调用_apc_store将值存储到缓存中。由于这是用户缓存,当前使用的缓存为apc_user_cache。执行写入操作的是apc_cache_make_user_entry函数,其最终调用apc_cache_user_insert执行遍历查询和写入操作。与此对应,系统缓存使用apc_cache_insert执行写入操作,其最终都会调用_apc_cache_insert。

不管是用户缓存还是系统缓存,大体的执行过程类似,步骤如下:

  1. 通过求余操作,定位当前key的在slots数组中的位置: cache->slots[key.h % cache->num_slots];
  2. 在定位到slots数组中的位置后,遍历当前key对应的slot链表,如果存在slot的key和要写入的key匹配或slot过期,清除当前slot。
  3. 在最后一个slot的后面插入新的slot。

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