1. Reducing size of zval structure
zvalをダイエット
してみた
hnw
第五回闇PHP勉強会 (2014/3/15)
発表資料

2. 自己紹介
❖ @hnw!
❖ 勤務先：KLab株式会社!
❖ カレーとバグが大好物!
❖ 好きなdouble値：NaN

3. 発想
❖ NaN boxingってカッコいい!
❖ doubleの一部にポインタや整数を詰め込む技!
❖ PHPにも応用できないか？!
❖ サイズ減らす点だけなら真似できそうだ!
❖ やってみた

4. アジェンダ
❖ PHPのzval概要!
❖ zvalをダイエットする!
❖ さらなるダイエットへの道

5. ❖ PHPのzval概要!
❖ zvalをダイエットする!
❖ さらなるダイエットへの道

6. PHPの変数を考える
❖ C：静的型付け言語!
❖ コンパイル時に型が決まる!
❖ 変数に型情報をつける必要が無い!
❖ PHP：動的型付け言語!
❖ 実行時まで型が決定できない!
❖ 変数値と型情報のペアを持ち回る必要がある

7. PHPの変数
❖ C言語レベルでは、zval構造体で管理されている
typedef struct _zval_struct zval;
!
struct _zval_struct {
zvalue_value value; /* 変数値 */
zend_uint refcount__gc; /* 参照カウンタ */
zend_uchar type; /* 変数型 */
zend_uchar is_ref__gc; /* 参照渡しされたか */
};

8. zvalのtypeに入る値
❖ 変数型ごとに異なるtype値が定義されている
#define IS_NULL 0
#define IS_LONG 1
#define IS_DOUBLE 2
#define IS_BOOL 3
#define IS_ARRAY 4
#define IS_OBJECT 5
#define IS_STRING 6
#define IS_RESOURCE 7
#define IS_CONSTANT 8
#define IS_CONSTANT_ARRAY 9
#define IS_CALLABLE 10

9. 変数値に対応する共用体
❖ 全ての変数型に対応する値を格納できる
typedef union _zvalue_value {
long lval; /* intとboolとresource */
double dval; /* float */
struct {
char *val; /* 文字列 */
int len; /* 文字列長 */
} str; /* string */
HashTable *ht; /* array */
zend_object_value obj; /* object */
} zvalue_value;

10. zvalざっくり概要
❖ zval：PHPの変数1個に対応する構造体!
❖ メンバ変数!
❖ 型は何か!
❖ 値は何か!
❖ 参照カウンタ!
❖ 参照渡しされたか

11. ❖ PHPのzval概要!
❖ zvalをダイエットする!
❖ さらなるダイエットへの道

12. zvalのサイズ減＝高速化？
❖ 仮説：zvalのサイズを減らすとPHPが性能アップする!
❖ zvalのサイズって減らす余地あるのかしら？

13. zvalのサイズ
❖ 64bit環境では24byteになる
typedef struct _zval_struct zval;
!
struct _zval_struct {
zvalue_value value; /* 128bit、変数値 */
zend_uint refcount__gc; /* 32bit、参照カウンタ */
zend_uchar type; /* 8bit、変数型 */
zend_uchar is_ref__gc; /* 8bit、参照渡しされたか */
}; /* 196bit */

14. _zvalue_valueのサイズ
typedef union _zvalue_value {
long lval; /* 64bit */
double dval; /* 64bit */
struct {
char *val; /* 64bit */
int len; /* 32bit */
} str; /* 128bit */
HashTable *ht; /* 64bit */
zend_object_value obj; /* 128bit */
} zvalue_value;
!
typedef struct _zend_object_value {
zend_object_handle handle; /* 32bit */
const zend_object_handlers *handlers; /* 64bit */
} zend_object_value; /* 128bit */
!
typedef unsigned int zend_object_handle;

15. 64bit環境のzvalはスカスカ
❖ zval構造体の内訳!
❖ 変数値に96bit（12byte）!
❖ 参照カウンタ・その他で32bit+9bit!
❖ 実質18byteだが、alignmentの都合で24byte消費!
❖ 9bit節約すれば16byteにできるはず

16. zvalダイエット図解
_zvalue_value
refcount__gc unused
unused
type
is_ref__gc
❖ 現状：24byte消費（64bit環境）

17. zvalダイエット図解
❖ これで16byteにできないか？
_zvalue_value
refcount__gc
type
is_ref__gc

18. zvalダイエットの方針
❖ _zvalue_valueの「あまり」に参照カウンタを詰める!
❖ 参照カウンタを32bitから23bitに減らす!
❖ 浮いた9bitに変数型とis_ref_gcを詰める

19. zvalダイエットの実装
❖ _zval_structを構造体から共用体に変更!
❖ 詰めて使うための工夫!
❖ 基本的にzval関連のマクロを修正するだけでよい!
❖ Z_TYPE_P()とかZ_ADDREF_P()とか!
❖ 行儀の悪い箇所もあるので、チマチマ修正!
❖ https://github.com/hnw/php-src/tree/PHP-5.5.9-smallzval

20. zvalダイエットの結果
❖ make testが99%以上通る程度には動いた！!
❖ ベンチマークテストを動かしてみた!
❖ sizeof(zval)は24→16に減った!
❖ 性能面：ほぼ同じか少し遅い印象…!
❖ 消費メモリ量：zvalのサイズ減による寄与はわずか

21. ❖ PHPのzval概要!
❖ zvalをダイエットする!
❖ さらなるダイエットへの道

22. 失敗の原因を考える(1)
❖ 個別に速度測定!
❖ zvalのallocationは速くなった!
❖ zval同士の値のコピーは少し遅くなった!
❖ 参照カウンタへのアクセスも少し遅くなった!
❖ 仮説1：差し引きゼロ!
❖ データの持ち方が複雑すぎる？

23. 失敗の原因を考える(2)
❖ そもそも、zvalはポインタ渡しされることが多い!
❖ zvalのallocationやcopyが少ないとすれば、
サイズ減をしても生きない!
❖ 仮説2：「変数のサイズ減＝性能向上」がPHPでは成り
立たない

24. ポインタ渡しの功罪
❖ 「大きい構造体を値渡しするのはダメ」という常識!
❖ （少なくとも昔は）Cの入門書に書いてあった!
❖ いまやポインタ64bit時代!
❖ 参照渡しのコストが相対的に増大!
❖ PHPは値渡しを避けすぎて無駄なコストを払っている？!
❖ 64bit環境だとzvalはポインタサイズの高々3倍

25. Copy-on-write の功罪
❖ PHPの変数コピーは「Copy-on-write」!
❖ PHP上の代入・値渡し＝実装上はポインタ渡し!
❖ 必要があるときだけコピーする!
❖ コピーは最低限になる!
❖ 変数の代入のたびに参照カウンタの増減が必要!
❖ 値渡しより、メモリへのwriteはむしろ増える？

26. まとめ（一部妄想）
❖ PHPのzvalをダイエットしたが効果は無かった!
❖ PHPの「Copy-on-write」は現代のCPUでは生きない？!
❖ 基本型を値渡しすれば高速化の道もあるのでは!
❖ (zval *)にNaN boxingでint/doubleを入れたい!
❖ zvalのまま使ってる場所の始末が非現実的かも…

27. ご静聴
ありがとう
ございました