优化 PHP 大文件下载速度至万兆，让 Nextcloud 支持万兆网络

[raysonx]

背景

最近在 HP Microserver Gen8 上重新搭建了 Nextcloud （在虚拟机里面容器里，基于 PHP 7.2 ），可惜通过 virtio 虚拟万兆网络进行下载，SSD 上文件的下载速度不超过 260MiB/s，机械硬盘上文件的下载速度不超过 80MB/s。要知道直接本地访问时，SSD 能达到 550MB/s 左右，机械硬盘平均 130MB/s，不甘心（这时 PHP 进程的 CPU 占用率很低，说明根本没有达到 CPU 执行瓶颈）。

排除了网络问题后，我在存储目录上搭建了一个 Nginx 进行测试，发现通过 Ngninx 直接下载文件几乎能达到本地直接访问的性能。于是，下载速度慢的锅就落在了 PHP 的性能上。

调研

经过一番调研，Nextcloud 的 WebDav 服务是基于 sabre/dav 的框架开发的。于是找到了 sabre/dav 的源码，最后定位到下载文件代码的位置：3rdparty/sabre/http/lib/Sapi.php 。原来 sabre/dav 是通过调用 stream_copy_to_stream 将要下载的文件拷贝到 HTTP 输出的：直接把文件流和 PHP 的输出流进行对拷，之前并没有其他的读写操作，说明瓶颈就在这一行代码。

// 3rdparty/sabre/http/lib/Sapi.php
// ...
 if (is_resource($body) && 'stream' == get_resource_type($body)) {
                if (PHP_INT_SIZE !== 4) {
                    // use the dedicated function on 64 Bit systems
                    stream_copy_to_stream($body, $output, (int) $contentLength);
                } else {
// ...

我本人并不是 PHP 程序员，于是开始了漫长的搜索。Google 娘告诉我 PHP 专门提供了fpassthru函数提供高性能文件下载，于是我修改代码把 stream_copy_to_stream 换成了fpassthru。

// 3rdparty/sabre/http/lib/Sapi.php
// ...
 if (is_resource($body) && 'stream' == get_resource_type($body)) {
                if (PHP_INT_SIZE !== 4) {
                    // use the dedicated function on 64 Bit systems
                    // stream_copy_to_stream($body, $output, (int) $contentLength);
                    fpassthru($body); // 改动这一行
                } else {
// ...

测试了一下，发现下载速度直接打了鸡血，440-470 MiB/s。可惜 fpassthru 只能把文件输出到结尾，不能只输出文件的一部分（为了支持断点续传和分片下载）。另外翻了一下 sabre/dav 的 issues，发现 sabre/dav 不用fpassthru的另外一个原因是有些版本的 PHP 中fpassthru函数存在 BUG。

继续深入

那为什么stream_copy_to_stream速度和fpassthru差距大得不科学呢？只能去读 PHP 的源码了，幸好 C 语言是我的强项。 我发现，fpassthru函数和stream_copy_to_stream函数实现是及其类似的：先尝试把源文件创建为内存映射文件（通过调用 mmap ），如果成功则直接从内存映射文件拷贝到目的流，否则就读到内存中进行传统的手动拷贝。差别来了，stream_copy_to_stream的第三个参数是要拷贝的字节数，可惜如果这个值大于 4MiB，PHP 就拒绝创建内存映射文件，直接回退到传统拷贝。

解决方法

在循环中调用stream_copy_to_stream，每次最多拷 4MiB：

// 3rdparty/sabre/http/lib/Sapi.php
// ...
 if (is_resource($body) && 'stream' == get_resource_type($body)) {
                if (PHP_INT_SIZE !== 4) {
                    // use the dedicated function on 64 Bit systems
                    // 下面是改动的部分：
                    // allow PHP to use mmap by copying in 4MiB chunks
                    $chunk_size = 4 * 1024 * 1024;
                    stream_set_chunk_size($output, $chunk_size);
		    $left = $contentLength;
		    while ($left > 0) {
		        $left -= stream_copy_to_stream($body, $output, min($left, $chunk_size));
		    }
               } else {
 // ...

测试了一下，结果令人震惊：下载速度几乎和本地读取无异了：SSD 文件的下载速度超过了 500 MB/s，甚至超过了 fpassthru 的速度(大概是因为缓冲区开的比fpassthru大)。

我又试着创建了一个 10G 大小的 sparse 文件 （ truncate -s 10G 10G.bin ），Linux 在读取 sparse 文件时可以立即完成，可以用来模拟如果硬盘速度足够快的情况。继续测试，发现下载速度超过了 700MiB/s，已经接近万兆网络的传输极限。这时 PHP 进程的 CPU 占用率已经达到 100%，说明瓶颈在 CPU 性能上了。

总结

用stream_copy_to_stream 拷贝流时，如果 source 是文件并且每次拷贝小于 4MiB，PHP 会用内存映射文件对拷贝进行加速。超过 4MiB 后就会回退到传统读取机制。

后续

向 Sabre 项目提了 PR：https://github.com/sabre-io/http/pull/119。如果各位也在玩 Nextcloud 并且遇到了下载速度瓶颈，可以试着打一下我这个补丁。

感谢各位的支持和建议，先统一回复一些内容：

1. 部分小伙伴提到了 Nginx 的 X-accel：如果 web 服务器用的是 Nginx 的话，可以通过设置一个 HTTP header 将文件输出转交给 Nginx，可获得更快的下载速度。这确实是个可行的优化思路，毕竟 Nginx 性能优越，而且输出文件的实现基于 sendfile 系统调用，理论上效率更高。目前不知道 Nextcloud 或者 Sabre 有没有计划针对 Nginx 做优化，后续有时间可以试着跟进一下。

2. stream

2. 目前看来 PHP 的 stream_copy_to_stream 的性能不佳，可优化的地方非常多，可以考虑对这个函数进行优化，贡献给上游社区。

3. 有小伙伴担心对 sabre 的“魔改”会对其他地方造成影响。我觉得这应该不是魔改吧。。。。

忘了在正文中补充机械硬盘下载速度的提升：
机械硬盘的下载速度从优化前的 70-80MB/s 提升到了 100 － 120 MB/s。我没有仔细去研究机械硬盘下载速度提升的原因，可能是我调大了拷贝的缓存区大小所致。

补充：PHP 核心源码中拒绝映射 4MiB 以上文件的代码在这里： https://github.com/php/php-src/blob/623911f993f39ebbe75abe2771fc89faf6b15b9b/main/streams/mmap.c#L34

[zk8802]

赞楼主刨根问底的精神！

[HiCode]

厉害！楼主专研精神真棒！

[zhs227]

没玩过这么高级的装备，不过非常佩服楼主，顶一下友情支持
另外不清楚有没有人知道，nginx 的那个 sendfile 和这个 mmap 的拷贝机制是不是一回事

[raysonx]

@zhs227 是的`sendfile`的性能更高，直接让内核对拷两个文件描述符，连内核态 /用户态拷贝都不用。但是 PHP 至今没有利用`sendfile`，包括`fpassthru`。

[jinyang656]

佩服佩服，真 极客

[falcon05]

厉害啊

[sxcccc]

aws 的 ec2 高端配置 东京节点 首页 500kb 打开速度一流 内容分发都是 4gb 大包依然能迅速下载 参考 www.dxqq.net

[lzxgh621]

我这边 程序本体都跑不利索

[shuimugan]

很棒,最近在团队内部推 nextcloud,以及基于 Collabora 的办公文档协作,先收藏留作备用了.

[tony601818]

厉害，难得有真正有意义的话题了！

[lihongming]

赞，可以考虑测一下 2M 一个循环，看是不是会更早达到 CPU 瓶颈，那样的话就该考虑自己修改 stream_copy_to_stream 源码放宽限制，以获得更高性能了。

[mwftts]

好久没在 app 第一页看到这样的技术贴，今天一天心情肯定会不错

[lazyyz]

厉害，佩服楼主这折腾劲！

[taresky]

厉害！

[JaguarJack]

一大早就学习了

[carlclone]

强，基础好扎实

[mokeyjay]

强无敌，点赞

[CallMeReznov]

这才是真正的干货啊

[zvcs]

谢谢楼主的分享

[Canon1014]

目瞪口呆

[zuokanyunqishi]

点赞

[fengtalk]

收藏了，佩服和赞赏楼主的这种探索精神。

[Edwards]

收藏

[zzxCNCZ]

赞楼主，厉害了

[R18]

厉害了！打破砂锅闻到底

[fox0001]

点赞！ nextcloud 15 之前，性能低下，我只是从树莓派搬到 x8350。一直以为是 PHP 背的锅，没想到楼主还能找出具体原因

[SupperMary]

很强👍

[eluotao]

技术贴 要收藏...回头看看 NAS 有没有优化的空间.

[whatsmyip]

很强

[yngby]

牛逼牛逼

[polymerdg]

牛逼

[hst001]

666

[SbloodyS]

牛逼

[sorshion]

基础很扎实，厉害

[liuxu]

这波操作可以的

[whwq2012]

⊙∀⊙！这就是开源的魅力啊，有需要就可以自己改。不过确定魔改这一部分的代码不会对其他地方造成影响吗？

[dapang1221]

厉害了

[bzi]

厉害啊

[tailf]

服了

[reeble]

大佬大佬

[sheeta]

佩服佩服

[zhujinliang]

使用 nginx 的 X-Accel-Redirect 可不可行呢

[ipengxh]

厉害了

[liuxyon]

厉害👍

[yytsjq]

@zhujinliang X-Accel-Redirect 相比 fpassthru 应该更好些吧

[dalieba]

希望 Sabre 项目早日接纳楼主的改进，新版本早日发布。

[klusfq]

膜拜楼主大佬

[zzxx3322]

楼主有遇到上传瓶颈吗？官方默认最多同时上传三个任务，关键速度跑不满，我没有详细测试是不是网络或者硬件问题导致速度跑不满，但是我感觉你的问题和这个问题也应该是相同的锅，提一下，可以给点意见嘛？

[duola]

折腾精神，厉害！

[raysonx]

@zzxx3322 上传速度确实比下载慢很多。Nextcloud 的上传机制比较复杂，等有时间研究一下开个帖分享。

[moonfly]

技术贴必须要支持，
虽然自己的功力远远没有达到 LZ 的级别，
但能看到这样的帖子，真的是一种享受！

[Huelse]

真是一篇干货，感谢感谢！！

[Actrace]

还有一个方案，文件输出完全交给 Nginx 去做，PHP 只负责处理输出前逻辑。
这里需要用到 Nginx 的一个特性 X-Accel-Redirect，不过这样整套程序就和 Nginx 绑定到一起了。

[zjq123]

你们下载速度达到几百兆每秒？

[dnsaq]

目瞪口呆 我都看懵了。

[tongz]

奈何本人没文化, 一句卧槽走天下

[laozhoubuluo]

啥也不说了，点赞！！👍👍👍

[ultimate010]

真心点赞，我自己搭建的局域网 samba 和 nfs 等文件服务，速度也没法跑满千兆网卡，查了下参数优化了下 samba aio，有点提升，但是仍然无法满速，没思路就凑合用了。

[KasuganoSoras]

确实是快了很多，在千兆服务器上测试的

[KasuganoSoras]

@ultimate010 #58 局域网 samba 我测试千兆是可以跑满的，传文件速度稳定在 110MB/s 左右，如果跑不满可能是 samba 版本比较低或者其他问题

[killerv]

厉害了

[cfcboy]

感谢楼主的分享，做个记号。

[BCy66drFCvk1Ou87]

awesome

[fengci]

mk

[panlilu]

硬核 debug

[ultimate010]

@KasuganoSoras 谢谢，我用 docker 跑的，最新的 dperson/samba，小机器 cpu 是 Intel(R) Atom(TM) CPU D525 @ 1.80GHz，机械硬盘，全速的时候也就 50mb 左右，以前调出过写入 80mb，读取也就 30-40mb，cpu 好像没有跑满，感觉自己的配置有点问题。

[KasuganoSoras]

@ultimate010 #66 这应该就是 CPU 性能瓶颈问题了，我手上也有一台 Atom D2550 的工控主机，装了 Samba 测试也是跑不满千兆，速度在 100-400Mbps 左右浮动，就上不去了

[kookxiang]

应该用 sendfile 吧

[ben1024]

厉害

[intsilence]

手动点赞！

[raysonx]

@KasuganoSoras 截图中是打了补丁后的速度吗？之前是多少？ CPU load 有没有跑满？

[KasuganoSoras]

@raysonx #71 之前大概是 20 ~ 40M/s 左右，CPU 的话基本上不可能跑满的……至少是宽带先跑满
因为 CPU 是 32 核 64 线程，但是下载的时候看到 CPU 占用率明显比之前高了，速度也快了很多

[dandycheung]

@zhs227 不是一回事。

[KasuganoSoras]

@raysonx #71 这个速度其实不是固定的，一直在跳来跳去，可能和我本地网络有关，我看到有几秒钟速度上到了 97MB/s，然后又掉到 60 左右，不过已经算很不错了

[raysonx]

@KasuganoSoras 有时间的话可以试试在服务器上本地测速，排除网络影响。方法是直接用 curl 命令下载文件：

curl -o /dev/null --user 'username:password' -H hostname http://127.0.0.1/remote.php/webdav/文件名

[BooksE]

你们都是点赞？只有我是羡慕 lz 有这个能力

[wmwwmv]

这对我很有用，感谢楼主

[ericgui]

@BooksE 看来学 C 还是挺有用的

[tankren]

收藏了 谢谢

[silencefent]

速度提高 3 倍,cpu 跑满载还是有点划不来吧,gen8 好歹也是 3.5G 起步的 4C8T 服务器

[ganbuliao]

牛逼 我觉得 还是比较适合拧小螺丝钉

[ganbuliao]

还是觉得自己比较适合拧小螺丝钉 (滑稽

[wttx]

Mark 一下，以后有用，，

[telami]

开源的魅力，心向往之

[lzj307077687]

敬佩！

[nyaruko]

万兆。。厉害了。。家里千兆网完全不担心这些。

[knightgao2]

厉害厉害了

[Jaeger]

反手就是一赞

[abccccabc]

这个贡献可大了。

[iwishing]

这个就是工匠精神，hacker 精神，打破沙锅问到底的精神
请问，您秃了没有？

[Chenamy2017]

牛！

[JRay]

大佬大佬

[zlfoxy]

厉害，关键是这么复杂的东西，楼主能解释的这么清楚。膜拜。

[pupboss]

楼主好，我想请教个问题，NextCloud 使用网页版或者 WebDAV 处理大文件的时候，取消下载文件之后，php 还是会不断的读硬盘，并且占满 IO，如果点了一个视频关闭再开再关闭，磁盘会卡的不能用，同时我也用 Nginx 测试过静态文件，只有在需要读盘的时候才会有 20M/s 左右的 IO，然后立刻就不读了，这个问题有解吗，我看官方已经合并了你最新的代码，应该不是这个导致的

[aod321]

大佬牛！