24 Agosto 2023

PHP e la compilazione JIT per migliori performance

Con l’introduzione di PHP 8, gli sviluppatori possono aspettarsi una serie di innovazioni rivoluzionarie: dalla compilazione JIT, che promette di potenziare le prestazioni, a nuove estensioni e ottimizzazioni che ridefiniranno l’efficienza del codice.

In un’era digitale in cui la velocità e l’efficienza sono fondamentali, la performance di un sito web può fare la differenza tra il successo e il fallimento di un’azienda. Nel contesto dell’hosting e della sistemistica, la ricerca di soluzioni per ottimizzare le prestazioni è incessante. Una delle tecnologie che ha suscitato grande interesse tra gli sviluppatori PHP è la compilazione JIT (Just-In-Time). Ma cosa implica esattamente? E come può influenzare positivamente le performance del tuo sito web ospitato su un server Linux? Scopriamolo insieme.

Cos’è la compilazione JIT?

La compilazione JIT, o Just-In-Time, è un metodo di compilazione in cui il codice sorgente viene tradotto in codice macchina al momento dell’esecuzione, invece che in anticipo. In pratica, anziché compilare il codice sorgente in un formato eseguibile prima di eseguirlo, il codice viene compilato “al volo” durante la sua esecuzione.

Questo approccio offre diversi vantaggi. Ad esempio, consente al compilatore di ottimizzare il codice in base alle specifiche condizioni di esecuzione, come la piattaforma hardware o il sistema operativo. Inoltre, può ridurre il tempo necessario per avviare un’applicazione, dato che non è necessario attendere la compilazione di tutto il codice prima della sua esecuzione.

PHP e JIT

PHP è tradizionalmente conosciuto come un linguaggio di scripting interpretato. Questo significa che il codice PHP viene eseguito da un interprete che legge e processa il codice sorgente istruzione per istruzione. Questo approccio ha i suoi vantaggi, come la facilità di sviluppo e la portabilità, ma può anche essere meno efficiente rispetto alla compilazione.

Con l’avvento di PHP 8, è stata introdotta una rivoluzionaria funzionalità: la compilazione JIT. Questa funzionalità consente a PHP di compilare parti del codice sorgente in codice macchina durante l’esecuzione, migliorando potenzialmente le prestazioni.

Come funziona la compilazione JIT in PHP?

I linguaggi di programmazione puramente interpretati non hanno una fase di compilazione e eseguono direttamente il codice in una macchina virtuale. La maggior parte dei linguaggi interpretati, inclusa PHP, ha in realtà una fase di compilazione leggera per migliorare le sue prestazioni.

I linguaggi di programmazione con compilazione Ahead-Of-Time (AOT) richiedono, invece, che il codice venga prima compilato e poi eseguito.

La compilazione Just-In-Time è un modello ibrido tra l’interprete e la compilazione Ahead-Of-Time, in cui parte o tutto il codice viene compilato, spesso al momento dell’esecuzione, senza che lo sviluppatore debba compilarlo manualmente.

Storicamente, PHP era un linguaggio interpretato, in cui tutto il codice veniva interpretato da una macchina virtuale (Zend VM). Questo è cambiato con l’introduzione di Opcache e Opcodes, che venivano generati dal codice PHP e potevano essere memorizzati nella cache in memoria. PHP 7.0 ha introdotto il concetto di AST (Abstract Syntax Tree), che ha ulteriormente separato il parser dal compilatore.

PHP JIT Diagram

Il JIT di PHP utilizza internamente DynASM da LuaJIT ed è implementato come parte di Opcache.

Opcache può ispezionare il codice utilizzato, comunemente chiamato codice “caldo”, e memorizzare le versioni compilate di esso nella memoria condivisa di Opcache. Quando e quale codice dovrebbe essere compilato è configurabile.

Vantaggi della compilazione JIT in PHP

  1. Performance migliorate: La compilazione JIT può portare a notevoli miglioramenti delle prestazioni, specialmente per codice che viene eseguito ripetutamente. Questo può tradursi in tempi di caricamento più rapidi e una migliore esperienza per gli utenti.
  2. Ottimizzazione al volo: Poiché la compilazione avviene durante l’esecuzione, il compilatore può ottimizzare il codice in base alle condizioni specifiche di esecuzione.
  3. Maggiore flessibilità: Con la compilazione JIT, gli sviluppatori possono sfruttare al meglio le caratteristiche della piattaforma su cui viene eseguito il codice, senza dover riscrivere o ri-compilare il codice.

JIT VS Zend OpCache: quali differenze?

Nell’ecosistema PHP, la performance è una priorità. Con l’evoluzione del linguaggio e delle sue estensioni, sono emerse diverse soluzioni per ottimizzare l’esecuzione degli script. Due delle più influenti in questo contesto sono JIT (Just-In-Time Compilation) e Zend OpCache. Ma quali sono le loro differenze e come influenzano le prestazioni di PHP?

Zend OpCache: Caching del Bytecode

Zend OpCache è un’estensione integrata in PHP che funge da sistema di caching per il bytecode. Quando uno script PHP viene eseguito, passa attraverso diverse fasi: analisi, compilazione e infine esecuzione. Durante la fase di compilazione, lo script viene trasformato in bytecode, che è una rappresentazione intermedia del codice sorgente, ottimizzata per l’esecuzione.

Zend OpCache interviene in questo processo memorizzando il bytecode generato in una memoria condivisa. Questo significa che, per le esecuzioni successive dello stesso script, PHP può saltare le fasi di analisi e compilazione e passare direttamente all’esecuzione del bytecode memorizzato. Questo riduce notevolmente l’overhead e accelera l’esecuzione degli script.

Se volete comprendere meglio il funzionamento di Zend OpCache abbiamo dedicato un articolo specifico : Zend OpCache. Come accelerare PHP ?

JIT: Compilazione al momento giusto

D’altra parte, JIT (Just-In-Time Compilation) è un approccio completamente diverso all’ottimizzazione. Invece di concentrarsi sul caching del bytecode, JIT compila il codice PHP direttamente in codice macchina al momento dell’esecuzione. Questo codice macchina è specificamente ottimizzato per la piattaforma su cui viene eseguito, permettendo una esecuzione molto più veloce rispetto al bytecode interpretato.

La magia del JIT sta nel fatto che non compila tutto il codice sorgente, ma solo le parti “calde”, ovvero quelle sezioni del codice che vengono eseguite frequentemente. Questo rende l’ottimizzazione JIT estremamente efficiente in termini di risorse e tempo.

Confronto e Coesistenza

La principale differenza tra Zend OpCache e JIT risiede nel loro approccio all’ottimizzazione:

  • Zend OpCache: Si concentra sulla memorizzazione del bytecode, riducendo l’overhead associato all’analisi e alla compilazione degli script PHP.
  • JIT: Si concentra sulla trasformazione del codice PHP in codice macchina ottimizzato, bypassando completamente l’interpretazione del bytecode.

Sebbene questi due approcci possano sembrare in contrasto, in realtà possono coesistere e complementarsi a vicenda. Un’applicazione PHP può beneficiare sia della velocità di esecuzione offerta da JIT che dalla riduzione dell’overhead offerta da Zend OpCache. Infatti, molte configurazioni moderne di PHP utilizzano entrambe le estensioni per ottenere le massime prestazioni possibili.

Supporto delle Piattaforme

Attualmente, JIT è abilitato sui sistemi Linux e Windows che funzionano con set di istruzioni dei processori x86 e x64. Apple M1 e le CPU ARM non sono attualmente supportate.

DynASM, che è l’assemblatore sottostante utilizzato in PHP JIT, supporta anche le istruzioni ARM, ma non è chiaro se PHP JIT possa essere eseguito su processori ARM.

JIT sfrutta anche AVX se supportato dalla CPU. La maggior parte dei processori di fascia consumer e server dal 2011 in poi supportano le istruzioni AVX.

Eseguendo cat /proc/cpuinfo | grep avx sulla maggior parte dei sistemi POSIX si può verificare se il processore lo supporta.

Considerando la bontà della soluzione e della tecnologia JIT è facile intuire che probabilmente il supporto verrà esteso a moltissime piattaforme nel corso dei prossimi mesi ed anni, tuttavia è sempre preferibile informarsi dal proprio fornitore di Hosting.

Benchmark PHP JIT

Tutti i test seguenti sono stati eseguiti su un sistema x86-64 a 8 core e 16 thread. I test, tuttavia, non utilizzano mai numeri interi che richiedono registri a 64 bit, per mantenere il test più pertinente alle CPU x86.

Il primo test è stato eseguito con Opcache completamente disattivato e il secondo con JIT disattivato, ma opcache abilitato.

Entrambe le modalità JIT apportano miglioramenti sostanziali in termini di prestazioni, con tracingla modalità leggermente più performante.

Questo benchmark difficilmente rappresenta un’applicazione PHP reale. Le chiamate ripetitive alla stessa funzione e la natura più semplice e priva di effetti collaterali del codice testato avvantaggiano JIT.

Una semplice funzione di Fibonacci per calcolare il 42esimo numero nella sequenza di Fibonacci.

Benchmark delle applicazioni Web con JIT abilitato

Valutare l’effetto del JIT può essere complesso, poiché il suo impatto varia in base al tipo di carico di lavoro a cui è sottoposto. Molti degli esempi che seguono riguardano framework web concreti, ma questi non riflettono sempre l’uso tipico nel contesto reale, soprattutto a causa dell’intervento di vari plugin e meccanismi di caching.

Per le applicazioni che stabiliscono una connessione con un database, è probabile che il principale punto critico risieda nelle prestazioni delle query del database. In una simulazione di server web dove si valutano le richieste processate ogni secondo, gli overhead associati a TLS, HTTP e FPM potrebbero avere un impatto ben maggiore rispetto ai miglioramenti offerti dal JIT.

Sono stati condotti dei test su Laravel (8.4.4) e Symfony (demo 1.6.3, con componenti 5.1.8) utilizzando le loro configurazioni base. Questi test sono stati eseguiti sullo stesso hardware e nelle stesse condizioni dei benchmark precedenti. Entrambi i framework sono stati eseguiti attraverso il server web integrato di PHP e le loro prestazioni sono state valutate usando Apache Bench (ab), con test effettuati con una concorrenza di 5 e 100 richieste, e i risultati sono stati ottenuti dalla media di 5 tentativi.

Entrambe le applicazioni non hanno ricevuto vantaggi evidenti e in Laravel le prestazioni sono state peggiori del 2% circa con JIT, probabilmente a causa del sovraccarico di compilazione che non ha compensato gli sforzi.

Analizza e fai benchmark di ogni singola applicazione

Per identificare effettivi benefici in termini di prestazioni, è essenziale eseguire un benchmark specifico per ogni applicazione, al fine di determinare se l’adozione del JIT può offrire un incremento significativo delle performance.

In particolare, le applicazioni CLI, specialmente quelle che richiedono un elevato utilizzo della CPU, potrebbero registrare un notevole aumento delle prestazioni grazie al JIT.

D’altro canto, per applicazioni orientate alla rete o che fanno un uso intensivo di file, come Composer e PHPUnit, è probabile che i benefici in termini di prestazioni siano minimi o nulli.

Questo perché tali applicazioni non traggono grandi vantaggi dalle ottimizzazioni a livello di codice macchina offerte dal JIT. Per ottenere miglioramenti in questi contesti, potrebbe essere più efficace investire in SSD di maggiore capacità, più RAM o una maggiore larghezza di banda.

Hosting PHP con il supporto JIT

Managed Server S.r.l., sempre attenta alle ultime innovazioni tecnologiche, ha riconosciuto il potenziale della compilazione JIT sin dal suo annuncio. Sin dal secondo semestre del 2020, abbiamo supportato JIT per tutte le versioni di PHP uguali o superiori alla 8. Questo impegno riflette la nostra dedizione nel fornire ai nostri clienti le soluzioni più avanzate e performanti disponibili sul mercato.

Considerazioni per l’hosting

Se stai valutando l’utilizzo di PHP con JIT per il tuo sito web, ci sono alcune considerazioni da tenere a mente:

  1. Compatibilità: Assicurati che il tuo provider di hosting, come Managed Server S.r.l., supporti PHP 8 o versioni successive. Questo è fondamentale per sfruttare la compilazione JIT.
  2. Configurazione: La compilazione JIT può essere configurata in diversi modi, a seconda delle tue esigenze. Consulta la documentazione e configura il JIT in modo ottimale per il tuo sito e server, assicurandoti che il tuo Hosting di fiducia abbia abilitato JIT.
  3. Monitoraggio delle performance: Come con qualsiasi cambiamento, è essenziale monitorare le prestazioni del tuo sito dopo aver abilitato la compilazione JIT. Ciò ti permetterà di identificare eventuali problemi e di ottimizzare ulteriormente le prestazioni.

Una Nuova Era per PHP

Con l’arrivo della compilazione JIT, PHP non si limita più al solo ambiente web. Questa evoluzione rappresenta un cambiamento epocale per il linguaggio. Ma quali sono le reali implicazioni di questa rivoluzione?

  1. Ambienti di Applicazione Estesi: La capacità di sfruttare la compilazione JIT apre le porte a nuovi orizzonti per PHP. Non stiamo più parlando solo di pagine web dinamiche, ma anche di applicazioni desktop, sistemi integrati, e persino applicazioni di intelligenza artificiale o analisi dati. PHP potrebbe trovare la sua strada in contesti in cui, fino ad ora, era impensabile.
  2. Ottimizzazione delle Risorse: La compilazione JIT sfrutta al meglio le risorse fornite dai processori moderni. Questo significa che le applicazioni PHP potranno eseguire operazioni complesse in modo molto più efficiente, sfruttando al massimo la potenza di calcolo disponibile.
  3. Performance Elevate: In scenari in cui la velocità e l’efficienza sono cruciali, come nel caso di applicazioni di analisi in tempo reale o sistemi di elaborazione ad alte prestazioni, PHP con JIT può offrire performance paragonabili a linguaggi tradizionalmente più veloci.

La compilazione JIT rappresenta un’evoluzione significativa per PHP, offrendo la possibilità di migliorare notevolmente le prestazioni delle applicazioni web. Per le aziende di hosting e sistemistica Linux, come Managed Server S.r.l., che offrono soluzioni di hosting performanti, è essenziale rimanere aggiornati sulle ultime tecnologie e offrire ai clienti le migliori soluzioni possibili. La compilazione JIT in PHP è solo uno degli strumenti disponibili per raggiungere questo obiettivo. Assicurati di sfruttarlo al meglio!

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