Proof of Concepts

booster les performances de php 7 en utilisant la programmation parallèle

Posté par pk le Mardi 24 Novembre 2015 à 14:25:20

But

Envisager la programmation parallèle comme une alternative crédible pour les futures versions de php... php8? php9? php10?

Ce qui a été fait

Re-coder 2 fonctions de php ( array_sum() et in_array() ) en utilisant openmp.

Résultat

php va entre 3,5 et 3,8 fois plus vite en utilisant 4 cores.

Environnement

Les tests ont été réalisés sur Ubuntu 12.04 LTS avec php 5.3.10 comme référence,
ainsi que php 7.0RC7 qui a servi de base aux modifications.
le flag -fopenmp a été ajouté au Makefile de la compilation de php.

Jeux de Tests

array_sum.php

$n      = 40000;
$t      = array();
$sum    = $n*($n+1)/2;

$time_mem = microtime(true);
for($i=1;$i<=$n;++$i)   $t[$i] = $i;
printf("Initialize:\t   %.4f\n",microtime(true)- $time_mem);

$time_mem = microtime(true);
for($i=0;$i<$n;++$i)
{
    if ($sum!=($v=array_sum($t))) { echo "Error: [$sum] != $v ...!\n"; break;}
}
printf("duration:\t   %.4f\n",microtime(true)- $time_mem);

in_array.php

$n = 20000;
$t = array();

$time_mem = microtime(true);
for($i=0;$i<$n;++$i) { $v = sprintf("%030d",$i); $t[$v] = $v; }
printf("Initialize:\t   %.4f\n",microtime(true)- $time_mem);

$time_mem = microtime(true);
for($i=0;$i<$n;++$i)
{
    $v = sprintf("%030d",$i); if (!in_array($v,$t,true)) echo "Error: [$v] not found!\n";
}
for($i=$n;$i<2*$n;++$i)
{
    $v = sprintf("%030d",$i); if (in_array($v,$t,true)) echo "Error: [$v] wrongly found!\n";
}
printf("duration:\t   %.4f\n",microtime(true)- $time_mem);

Code source original de array_sum(), extrait du fichier ext/standard/array.c

PHP_FUNCTION(array_sum)
{
	zval *input,
		 *entry,
		 entry_n;

	if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS(), "a", &input) == FAILURE) {
		return;
	}

	ZVAL_LONG(return_value, 0);

	ZEND_HASH_FOREACH_VAL(Z_ARRVAL_P(input), entry) {
		if (Z_TYPE_P(entry) == IS_ARRAY || Z_TYPE_P(entry) == IS_OBJECT) {
			continue;
		}
		ZVAL_COPY(&entry_n, entry);
		convert_scalar_to_number(&entry_n);
		fast_add_function(return_value, return_value, &entry_n);
	} ZEND_HASH_FOREACH_END();
}

Code source modifié de array_sum(), à remplacer dans le fichier ext/standard/array.c

PHP_FUNCTION(array_sum)
{
    register int nb_cores   = 1;
    register int n;
    
    zval *input;
    
    if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS(), "a", &input) == FAILURE) {
        return;
    }

    ZVAL_LONG(return_value, 0);

// TODO:    nb_cores has to be a global value, computed only once at the init of php, and get a max value from php.ini !
//          according to my first tests the best value to choose is not the number of threads in multithreading processors,
//          but be smaller or equal to the number of real physical cores. 
//          Use :  "OMP_NUM_THREADS=xx /path_to/php test_file.php" to specify xx, the number of threads to use in your test
#pragma omp parallel sections
{
    #pragma omp section
    {
        nb_cores = omp_get_num_threads();
    }
}

    if ( (nb_cores==1) || ((n=(Z_ARRVAL_P(input))->nNumUsed) < 3*nb_cores) )    // classical single threaded computing
    {
        zval *entry, entry_n;
        
        ZEND_HASH_FOREACH_VAL(Z_ARRVAL_P(input), entry) {
            if (Z_TYPE_P(entry) == IS_ARRAY || Z_TYPE_P(entry) == IS_OBJECT) {
                continue;
            }
            ZVAL_COPY(&entry_n, entry);
            convert_scalar_to_number(&entry_n);
            fast_add_function(return_value, return_value, &entry_n);
        } ZEND_HASH_FOREACH_END();
    }
    else                                                                        // multi threaded computing
    {
        do
        {
            register int rank;
            register int q,r;
            register Bucket *_p0 = (Z_ARRVAL_P(input))->arData;
            register Bucket *_end = _p0 + n;
            zval     t_result[nb_cores];
            
            q = n/nb_cores;
            r = n%nb_cores;
            
            #pragma omp parallel for                    // firstprivate(q,r,_p0) shared(t_result) 
            for(rank=0; rank < nb_cores; ++rank)        // compute sum  for each chunk (1 chunk per core)
            {
                register int    i;
                register int    m       =            q  + (rank < r ? 1    : 0);  // chunk size = q+1 for the r first ones ... = q for the others .
                register Bucket *_prank = _p0 + rank*q  + (rank < r ? rank : r);  // pointer to the first bucket of the rank's chunk
                zval     local_result;
                
                ZVAL_LONG(&local_result, 0);
                for (i=0; i < m; ++i)
                {
                    register Bucket *_p;
                    zval            entry_n;
                    
                    _p = _prank + i;
                    zval *_z = &_p->val;
                    
                    if (UNEXPECTED(Z_TYPE_P(_z) == IS_UNDEF))                   continue;
                    if (Z_TYPE_P(_z) == IS_ARRAY || Z_TYPE_P(_z) == IS_OBJECT)  continue;
                    
                    ZVAL_COPY(&entry_n, _z);
                    convert_scalar_to_number(&entry_n);
                    fast_add_function(&local_result, &local_result, &entry_n);
                }
                ZVAL_COPY(&t_result[rank], &local_result);
            }
            
            for(rank=0; rank < nb_cores; ++rank)  // consolidate chunks into result
            {
                fast_add_function(return_value, return_value, &t_result[rank]);
            }
        } while (0);
    }
}

Code source original de in_array(), extrait du fichier ext/standard/array.c

static inline void php_search_array(INTERNAL_FUNCTION_PARAMETERS, int behavior) /* {{{ */
{
	zval *value,				/* value to check for */
		 *array,				/* array to check in */
		 *entry;				/* pointer to array entry */
	zend_ulong num_idx;
	zend_string *str_idx;
	zend_bool strict = 0;		/* strict comparison or not */

#ifndef FAST_ZPP
	if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS(), "za|b", &value, &array, &strict) == FAILURE) {
		return;
	}
#else
	ZEND_PARSE_PARAMETERS_START(2, 3)
		Z_PARAM_ZVAL(value)
		Z_PARAM_ARRAY(array)
		Z_PARAM_OPTIONAL
		Z_PARAM_BOOL(strict)
	ZEND_PARSE_PARAMETERS_END();
#endif

	if (strict) {
		ZEND_HASH_FOREACH_KEY_VAL(Z_ARRVAL_P(array), num_idx, str_idx, entry) {
			ZVAL_DEREF(entry);
			if (fast_is_identical_function(value, entry)) {
				if (behavior == 0) {
					RETURN_TRUE;
				} else {
					if (str_idx) {
						RETVAL_STR_COPY(str_idx);
					} else {
						RETVAL_LONG(num_idx);
					}
					return;
				}
			}
		} ZEND_HASH_FOREACH_END();
	} else {
		ZVAL_DEREF(value);
		if (Z_TYPE_P(value) == IS_LONG) {
			ZEND_HASH_FOREACH_KEY_VAL(Z_ARRVAL_P(array), num_idx, str_idx, entry) {
				if (fast_equal_check_long(value, entry)) {
					if (behavior == 0) {
						RETURN_TRUE;
					} else {
						if (str_idx) {
							RETVAL_STR_COPY(str_idx);
						} else {
							RETVAL_LONG(num_idx);
						}
						return;
					}
				}
			} ZEND_HASH_FOREACH_END();
		} else if (Z_TYPE_P(value) == IS_STRING) {
			ZEND_HASH_FOREACH_KEY_VAL(Z_ARRVAL_P(array), num_idx, str_idx, entry) {
				if (fast_equal_check_string(value, entry)) {
					if (behavior == 0) {
						RETURN_TRUE;
					} else {
						if (str_idx) {
							RETVAL_STR_COPY(str_idx);
						} else {
							RETVAL_LONG(num_idx);
						}
						return;
					}
				}
			} ZEND_HASH_FOREACH_END();
		} else {
			ZEND_HASH_FOREACH_KEY_VAL(Z_ARRVAL_P(array), num_idx, str_idx, entry) {
				if (fast_equal_check_function(value, entry)) {
					if (behavior == 0) {
						RETURN_TRUE;
					} else {
						if (str_idx) {
							RETVAL_STR_COPY(str_idx);
						} else {
							RETVAL_LONG(num_idx);
						}
						return;
					}
				}
			} ZEND_HASH_FOREACH_END();
 		}
	}

	RETURN_FALSE;
}

Code source modifié de in_array(), à remplacer dans le fichier ext/standard/array.c

in_array, modifié seulement dans le cas de comparaison stricte !

static inline void php_search_array(INTERNAL_FUNCTION_PARAMETERS, int behavior) /* {{{ */
{
    register int nb_cores   = 1;
    register int n;
    
  
    zval *value,                /* value to check for */
         *array,                /* array to check in */
         *entry;                /* pointer to array entry */
    zend_ulong num_idx;
    zend_string *str_idx;
    zend_bool strict = 0;       /* strict comparison or not */

#ifndef FAST_ZPP
    if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS(), "za|b", &value, &array, &strict) == FAILURE) {
        return;
    }
#else
    ZEND_PARSE_PARAMETERS_START(2, 3)
        Z_PARAM_ZVAL(value)
        Z_PARAM_ARRAY(array)
        Z_PARAM_OPTIONAL
        Z_PARAM_BOOL(strict)
    ZEND_PARSE_PARAMETERS_END();
#endif


// TODO:    nb_cores has to be a global value, computed only once at the init of php, and get a max value from php.ini !
//          according to my first tests the best value to choose is not the number of threads in multithreading processors,
//          but be smaller or equal to the number of real physical cores. 
//          Use :  "OMP_NUM_THREADS=xx /path_to/php test_file.php" to specify xx, the number of threads to use in your test
#pragma omp parallel sections
{
    #pragma omp section
    {
        nb_cores = omp_get_num_threads();
    }
}
    // TODO :   only strict mode is currently using openmp, some cut'n'paste to do!!!
    if (strict)
    {
        if ( (nb_cores==1) || ((n=(Z_ARRVAL_P(array))->nNumUsed) < 3*nb_cores) )    // classical single threaded computing
        {
            ZEND_HASH_FOREACH_KEY_VAL(Z_ARRVAL_P(array), num_idx, str_idx, entry) {
                ZVAL_DEREF(entry);
                if (fast_is_identical_function(value, entry)) {
                    if (behavior == 0) {
                        RETURN_TRUE;
                    } else {
                        if (str_idx) {
                            RETVAL_STR_COPY(str_idx);
                        } else {
                            RETVAL_LONG(num_idx);
                        }
                        return;
                    }
                }
            } ZEND_HASH_FOREACH_END();
        }
        else                                                                        // multi threaded computing
        {
            do
            {
                register int rank;
                register int q,r;
                register int found = -1;
                register Bucket *_p0 = (Z_ARRVAL_P(array))->arData;
                register Bucket *_end = _p0 + n;
                zval     t_result[nb_cores];
                
                q = n/nb_cores;
                r = n%nb_cores;
                
                #pragma omp parallel for                    // firstprivate(q,r,_p0) shared(found) 
                for(rank=0; rank < nb_cores; ++rank)        // search within each chunk (1 chunk per core)
                {
                    register int    i;
                    register int    m       =            q  + (rank < r ? 1    : 0);  // chunk size = q+1 for the r first ones ... = q for the others .
                    register Bucket *_prank = _p0 + rank*q  + (rank < r ? rank : r);  // pointer to the first bucket of the rank's chunk
                    int     local_found     = -1;
                    
                    for (i=0; i < m; ++i)
                    {
                        register Bucket *_p;
                        
                        if (local_found >= 0)         continue;                           // no break is allowed in openmp nor abort in my version : do a continue on check to skip!
                        if (!(i%100) && (found >= 0)) { local_found = found; continue; }  // check only every 100 iteration to minimize shared memory access
                        
                        
                        _p = _prank + i;
                        zval *_z = &_p->val;
                        if (UNEXPECTED(Z_TYPE_P(_z) == IS_UNDEF))                   continue;
                        ZVAL_DEREF(_z);
                        if (fast_is_identical_function(value, _z))
                        {
                            found = local_found = (_prank-_p0) + i;
                            continue;
                        }
                    }
                }
                if (found >= 0)
                {
                    if (behavior == 0) {
                        RETURN_TRUE;
                    } else {
                        register Bucket *_p;
                        _p = _p0 +found;
                        num_idx = _p->h;
                        str_idx = _p->key;

                        if (str_idx) {
                            RETVAL_STR_COPY(str_idx);
                        } else {
                            RETVAL_LONG(num_idx);
                        }
                        return;
                    }
                }
            } while (0);
        }

    } else {
        ZVAL_DEREF(value);
        if (Z_TYPE_P(value) == IS_LONG) {
            ZEND_HASH_FOREACH_KEY_VAL(Z_ARRVAL_P(array), num_idx, str_idx, entry) {
                if (fast_equal_check_long(value, entry)) {
                    if (behavior == 0) {
                        RETURN_TRUE;
                    } else {
                        if (str_idx) {
                            RETVAL_STR_COPY(str_idx);
                        } else {
                            RETVAL_LONG(num_idx);
                        }
                        return;
                    }
                }
            } ZEND_HASH_FOREACH_END();
        } else if (Z_TYPE_P(value) == IS_STRING) {
            ZEND_HASH_FOREACH_KEY_VAL(Z_ARRVAL_P(array), num_idx, str_idx, entry) {
                if (fast_equal_check_string(value, entry)) {
                    if (behavior == 0) {
                        RETURN_TRUE;
                    } else {
                        if (str_idx) {
                            RETVAL_STR_COPY(str_idx);
                        } else {
                            RETVAL_LONG(num_idx);
                        }
                        return;
                    }
                }
            } ZEND_HASH_FOREACH_END();
        } else {
            ZEND_HASH_FOREACH_KEY_VAL(Z_ARRVAL_P(array), num_idx, str_idx, entry) {
                if (fast_equal_check_function(value, entry)) {
                    if (behavior == 0) {
                        RETURN_TRUE;
                    } else {
                        if (str_idx) {
                            RETVAL_STR_COPY(str_idx);
                        } else {
                            RETVAL_LONG(num_idx);
                        }
                        return;
                    }
                }
            } ZEND_HASH_FOREACH_END();
        }
    }

    RETURN_FALSE;
}

Benchmark sur un PC Standard

Test Machine: i7 4765T 4 cores 8 threads

OS: Ubuntu 12.04.5 LTS

in_array ( , strict )

php 5.3.10

php 7.0RC7

php 7.0RC7 gcc -fopenmp OMP_NUM_THREADS=x

1 thread

2 threads

3 threads

4 threads

5 threads

6 threads

7 threads

8 threads

9 threads

16 threads

duration

14,48 s

6,10 s

6,43 s

3,55 s

2,52 s

2,01 s

2,50 s

2,28 s

2,08 s

1,95 s

3,65 s

4,37 s

scaling

0,95

1,72

2,42

3,03

2,44

2,68

2,93

3,13

1,67

1,40

scaling/optimal scaling

94,87%

85,92%

80,69%

75,87%

48,80%

44,59%

41,90%

39,10%

18,57%

8,72%

array_sum ( long values )

php 5.3.10

php 7.0RC7

php 7.0RC7 gcc -fopenmp OMP_NUM_THREADS=x

1 thread

2 threads

3 threads

4 threads

5 threads

6 threads

7 threads

8 threads

9 threads

16 threads

duration

22,37 s

7,36 s

6,83 s

3,61 s

2,58 s

2,06 s

3,10 s

2,60 s

2,30 s

2,09 s

4,08 s

4,80 s

scaling

1,08

2,04

2,85

3,57

2,37

2,83

3,20

3,52

1,80

1,53

scaling/optimal scaling

107,76%

101,94%

95,09%

89,32%

47,48%

47,18%

45,71%

44,02%

20,04%

9,58%

Test Machine: Intel Xeon E3-1220 V2 4 cores

OS: Ubuntu 12.04.5 LTS

in_array ( , strict )

php 5.3.10

php 7.0RC7

php 7.0RC7 gcc -fopenmp OMP_NUM_THREADS=x

1 thread

2 threads

3 threads

4 threads

5 threads

6 threads

7 threads

8 threads

9 threads

16 threads

duration

13,60 s

5,91 s

6,44 s

3,65 s

2,53 s

1,99 s

3,59 s

3,26 s

3,35 s

3,60 s

3,57 s

4,67 s

scaling

0,92

1,62

2,34

2,97

1,65

1,81

1,76

1,64

1,66

1,27

scaling/optimal scaling

91,77%

80,96%

77,87%

74,25%

32,92%

30,21%

25,20%

20,52%

18,39%

7,91%

array_sum ( long values )

php 5.3.10

php 7.0RC7

php 7.0RC7 gcc -fopenmp OMP_NUM_THREADS=x

1 thread

2 threads

3 threads

4 threads

5 threads

6 threads

7 threads

8 threads

9 threads

16 threads

duration

20,75 s

7,80 s

6,89 s

3,73 s

2,58 s

2,02 s

3,87 s

3,45 s

3,57 s

3,89 s

3,82 s

4,96 s

scaling

1,13

2,09

3,02

3,86

2,02

2,26

2,18

2,01

2,04

1,57

scaling/optimal scaling

113,21%

104,56%

100,78%

96,53%

40,31%

37,68%

31,21%

25,06%

22,69%

9,83%

Benchmark sur un Supercalculateur

Test Machine: 2 x Intel Xeon E5-2680 V3 12 cores => 24 cores									OS: CentOS release 6.6 (Final)
in_array ( , strict )	php 5.3.10	php 7.0RC7	php 7.0RC7 gcc -fopenmp OMP_NUM_THREADS=x
in_array ( , strict )	php 5.3.10	php 7.0RC7	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
duration	35,54 s	25,17 s	25,41 s	13,52 s	9,11 s	6,95 s	5,63 s	4,77 s	4,16 s	3,71 s	3,39 s	3,12 s	2,89 s	2,68 s
scaling			0,99	1,86	2,76	3,62	4,47	5,28	6,05	6,78	7,42	8,07	8,71	9,39
scaling/optimal scaling			99,06%	93,08%	92,10%	90,54%	89,41%	87,95%	86,44%	84,80%	82,50%	80,67%	79,18%	78,26%

			13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
			2,56 s	2,46 s	2,39 s	2,33 s	2,24 s	2,18 s	2,15 s	2,15 s	2,14 s	2,11 s	2,07 s	2,46 s
			9,83	10,23	10,53	10,80	11,24	11,55	11,71	11,71	11,76	11,93	12,16	10,23
			75,63%	73,08%	70,21%	67,52%	66,10%	64,14%	61,62%	58,53%	56,01%	54,22%	52,87%	42,63%

array_sum ( long values )	php 5.3.10	php 7.0RC7	php 7.0RC7 gcc -fopenmp OMP_NUM_THREADS=x
array_sum ( long values )	php 5.3.10	php 7.0RC7	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
duration	18,98 s	7,30 s	7,28 s	3,58 s	2,40 s	1,91 s	1,56 s	1,36 s	1,23 s	1,14 s	1,08 s	1,06 s	1,03 s	1,00 s
scaling			1,00	2,04	3,04	3,82	4,68	5,37	5,93	6,40	6,76	6,89	7,09	7,30
scaling/optimal scaling			100,27%	101,96%	101,39%	95,55%	93,59%	89,46%	84,79%	80,04%	75,10%	68,87%	64,43%	60,83%

			13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
			0,94 s	0,96 s	0,98 s	1,01 s	0,97 s	0,99 s	0,97 s	1,06 s	1,13 s	1,12 s	1,13 s	1,18 s
			7,77	7,60	7,45	7,23	7,53	7,37	7,53	6,89	6,46	6,52	6,46	6,19
			59,74%	54,32%	49,66%	45,17%	44,27%	40,97%	39,61%	34,43%	30,76%	29,63%	28,09%	25,78%

Faq: Est-ce utile pour un site à gros trafic ?

Réponse: On ne peut pas répondre a priori.

On pourrait supposer que la distribution de chaque requête sur un core différent, suffit à gérer le parallélisme de façon naturelle et efficace.
Or, ce n'est pas aussi évident que nos premières intuitions pourraient le laisser supposer.

En effet, cela dépend de plusieurs paramètres :

De la loi de distribution de l'arrivée des requêtes.
Du rapport entre la durée d'exécution d'une requête et de la fréquence d'arrivée des requêtes.
…

Quoi qu’il en soit, on peut pré-supposer que le processeur est capable de traiter toutes les requètes qui arrivent dans le cas d'une utilisation monocore.
En ayant remarqué cela, peut-on espérer un gain quelconque en effectuant du calcul multi-core ?

Je vais vous montrer un cas de figure ou cela est flagrant.

Supposons pour ce cas de figure, que chaque tache prenne 4 ms en traitement monocore, et que une tache arrive toute les 1,1 ms.
En prenant notre PC standard de 4 cores, avec un traitement global de la tache en multicore égal à 1,1 ms, on obtient le graphique suivant :

On voit donc que au bout de 5,5 ms :

En multicore, 5 clients ont été déjà servis, et ce très rapidement.
En monocore, seulement 2 clients ont été complètement servis, et pour chacun beaucoup plus lentement.

Dans tout problème de file d’attente, il est souvent préférable d’avoir un temps de service plus court.

On aurait bien sur pu aussi trouver des cas de figure où l’inverse est vrai.
C'est pourquoi, dans le cas ou des idées d’implémentation de php en multicore seraient retenues, il serait intéressant d’avoir un paramètre de php.ini , disons max_core_number, dont la valeur par défaut serait 1 pour les applications web, et 4 en mode cli...
L'administrateur serait alors en mesure de configurer de façon optimale selon ses besoins.

Faq: Que peut-on paralléliser en php ?

Réponse: On peut envisager de paralléliser php à plusieurs niveaux :

Au niveau du moteur php
- Des fonctions php ( comme je l’ai fait dans cette “preuve de concept” ).
- L’interprète php lui-même, décodant les instructions pendant qu’il traite la précédente.
Au niveau utilisateur de php
- En imaginant et en implémentant des primitives simples et efficaces permettant au développeur de développer simplement du code parallèle.
  Bien sur, cela demandera un effort de développement non négligeable, et la ré-écriture de beaucoup de code ( l’allocateur par exemple ) afin de pouvoir gérer avec une granularité très fine les accès concurrents.

Faq: Pourquoi openmp ?

Réponse: Parceque c'est ce que me permettait de base mon environnement de développement.

En effet, ma machine de développement est sous Ubuntu 12.04 LTS…
Et openmp est le seul outil de dev multi-threading disponible ( gcc 4.6.3 ).
Si j’avais été sous gcc 5.x, j’aurais certainement essayé d’utiliser cilk plus .

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Ce Site a été mis à jour le Jeudi 25 Juin 2020 à 04:53:34