PHP8.4におけるJITフレームワークIRと中間表現について理解を深める

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BASE, Inc. PHP8.4におけるJITフレームワーク IR と中間表現について理解を深める 02 @PHPerKaigi 2025 2025.03.23

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Profile 2 02 Otsu Kazuki BASE BANK Dept. Engineering Program Manager ：@cocoeyes02 PHPカンファレンス2024, 2025 実行委員長

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今回話すこと • PHPのコンパイルについて軽くおさらいしつつ、JITと中間表現の基本概念を説明する • JITフレームワーク IRのしくみについてざっくり知る

今回話さないこと • IRに関係ない範囲の、 PHPコンパイルの詳細の話 • JITフレームワーク IRで使用しているアルゴリズムの説明

一般的な言葉の定義① • マシンコード ◦ コンピュータが理解できる言語のこと（機械語やアセンブリ言語など） • コンパイル ◦ ソースコードを、マシンコードやバイトコードなどへ変換すること ◦ 目的に応じたコードへ変換することで、効率化を図っている • 中間表現（中間コード） ◦ マシンコード変換する前に、一度任意のデータ形式に変える手法やコードそのものこと ◦ 一気にマシンコードへ変換するよりも、無駄な計算を省いたり複数フォーマットへの変換処理を効率化するなどの恩恵をもたらす

• バイトコード ◦ 中間表現の一種。命令長がバイト可変長だったり、命令中のフィールドの区切りがバイト単位になっているところから来ている ◦ 今日では、 VM向けの命令コード体系を表現しているところも多い • VM（仮想環境） ◦ コンピュータ上でソフトウェア的に動作する仮想的な「コンピュータ」環境を提供する技術 ◦ 実際のハードウェアとは独立して動作し、異なるアーキテクチャのシステム上でも同じ環境を再現する目的がある一般的な言葉の定義②

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2012-2025 BASE, Inc. 8 PHPのコンパイルについておさらい（ PHP8.3まで） 8

PHPのコンパイルについておさらい（ PHP8.3まで） https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP

https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP PHPソースコードをVM（Zend Engine）が理解できるオペコードへ変換する。その後、オペコードをより効率よく実行できるよう最適化する（数を減らしたり、効率の良いものにしたりする）オペコード： Zend Engine向けの操作に関する命令のコード。中間表現、バイトコードの一つ。 PHPのコンパイルについておさらい（ PHP8.3まで）

https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP VM（Zend Engine）でオペコードを使ってコードを実行する。本来ならIntel x86とM1 Mac（AArch64）でそれぞれマシンコードが必要だが、オペコードがあれば、 IntelでもMacでも同じオペコードを実行するだけで OK PHPのコンパイルについておさらい（ PHP8.3まで）

https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP コンパイル済みのオペコードを、共通メモリにキャッシュする。 Opcache：コンパイル処理のスキップによる高速化図る目的の PHP拡張モジュール。コンパイル済みのオペコードを、共通メモリにキャッシュする。 Opcache：上記のようなキャッシュを用いて、高速化図る目的を持った PHP拡張モジュール。 PHPのコンパイルについておさらい（ PHP8.3まで）

https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP JITコンパイルでマシンコードを生成する。 JIT（ジャストインタイム）コンパイル： PHP8.0で追加されたOPcacheの拡張機能。 Cache Hit時に、VMを通さずマシンコード実行できる（≒早い）メリットがある。頻繁に実行されるコードを検知して、キャッシュするよう条件決めができる PHPのコンパイルについておさらい（ PHP8.3まで）

https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP JITコンパイル時には、 Intel x86とM1 Mac（AArch64）でそれぞれのマシンコードを分けて生成している PHPのコンパイルについておさらい（ PHP8.3まで）

本当はおさらいの方も深く話したいですが、時間が無いので詳細は割愛します！詳細を知らない人は、下記の記事を読んでみると良いです！ • 【PHP】Zend Engine の内部を図示した記事・資料まとめ ◦ https://qiita.com/7968/items/2aa487e2e515dba2fd03 • OPcache オペコードキャッシュの仕組み - Shin x Blog ◦ https://blog.shin1x1.com/entry/php-opcache-under-the-hood • PHP8から追加された JITについて学ぼう ! - takeokunn's blog ◦ https://www.takeokunn.org/posts/permanent/20221222111924-about_php_jit/ PHPのコンパイルについておさらい（ PHP8.3まで）

2012-2025 BASE, Inc. 16 PHP8.4でJITフレームワーク IRが導入された背景 16

https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP JITコンパイル時には、 Intel x86とM1 Mac（AArch64）でそれぞれのマシンコードを分けて生成している PHP8.4でJITフレームワーク IRが導入された背景

PHP8.3の現在について（前略） • PHP JITはターゲット CPU用に機械語を「手動で」直接生成します • 各CPU（x86_64およびAArch64）を個別にサポートする必要があります • 最適化およびレジスタ割り当ての範囲には制限があります • PHP JITは非常に短時間で中間的な品質のコードを生成します • PHP JITに関連する修正には、サポートされているすべてのプラットフォームに対してアセンブラコードの変更が必要な場合があります ◦ サポートが難しいです PHP8.4でJITフレームワーク IRが導入された背景 https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP

PHP8.3の現在について（前略） • PHP JITはターゲット CPU用に機械語を「手動で」直接生成します • 各CPU（x86_64およびAArch64）を個別にサポートする必要があります • 最適化およびレジスタ割り当ての範囲には制限があります • PHP JITは非常に短時間で中間的な品質のコードを生成します • PHP JITに関連する修正には、サポートされているすべてのプラットフォームに対してアセンブラコードの変更が必要な場合があります ◦ サポートが難しいです PHP8.4でJITフレームワーク IRが導入された背景 https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP 各CPUへのサポートを持続的かつ、品質を担保するため、効率化が必須

https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP 効率化のため、独自の JITフレームワーク IRが爆誕！ PHP8.4でJITフレームワーク IRが導入された背景

https://github.com/dstogov/ir PHP8.4でJITフレームワーク IRが導入された背景

https://github.com/dstogov/ir PHP8.4でJITフレームワーク IRが導入された背景 IRフレームワークは、中規模のプロジェクトで JITを実装するための実用的なソリューションです。これには、中間表現（ IR）の定義、 IR構築のためのシンプルな API、最適化、スケジューリング、レジスタ割り当て、コード生成のアルゴリズムが提供されます。生成されたインメモリコードは、直接実行することができます。これはまだ安定した完成品ではなく、現在も積極的に開発中です。 PHP-9の次世代 JITコンパイラ開発のための基盤として始まりましたが、 PHPには完全に依存していません。

2012-2025 BASE, Inc. 23 JITフレームワーク IRでどう中間表現が実現されているか 23

PHPでのJITコンパイルの流れを、 BeforeAfterで見てみる Before After IRでどう中間表現が実現されているか PHP Script オペコードマシンコード PHP Script オペコードマシンコード IR用中間コード

オペコードから IR用中間コードを生成している流れを、 PHPではどうなっているか追ってみる Before After PHP Script オペコードマシンコード PHP Script オペコードマシンコード IR用中間コード IRでどう中間表現が実現されているか

php-srcで、JITのコンパイルを実行しているコードを見てみる https://github.com/php/php-src/blob/master/ext/opcache/jit/zend_jit.c#L1413 IRでどう中間表現が実現されているか

各所でIR ビルダー API(ir_builder.h)を使って、 IR用の中間コードを生成していた https://github.com/php/php-src/blob/master/ext/opcache/jit/zend_jit.c#L1756 IRでどう中間表現が実現されているか

各所でIR ビルダー API(ir_builder.h)を使って、 IR用の中間コードを生成していた https://github.com/php/php-src/blob/master/ext/opcache/jit/zend_jit_ir.c#L5684 IRでどう中間表現が実現されているか

各所でIR ビルダー API(ir_builder.h)を使って、 IR用の中間コードを生成していた https://github.com/dstogov/ir/blob/master/ir_builder.h IRでどう中間表現が実現されているか

各所でIR ビルダー API(ir_builder.h)を使って、 IR用の中間コードを生成していた IRでどう中間表現が実現されているか https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP

IR用中間コードからマシンコード生成をしているコードを追ってみる Before After PHP Script オペコードマシンコード PHP Script オペコードマシンコード IR用中間コード IRでどう中間表現が実現されているか

php-srcで、JITのコンパイルを実行しているコードを見てみる … https://github.com/php/php-src/blob/master/ext/opcache/jit/zend_jit.c#L2938 IRでどう中間表現が実現されているか

zend_jit_ir_compile で、組み立てた IR用中間コードをコンパイルしている … https://github.com/php/php-src/blob/master/ext/opcache/jit/zend_jit_ir.c#L16734 IRでどう中間表現が実現されているか

zend_jit_ir_compile で、組み立てた IR用中間コードをコンパイルしている https://github.com/php/php-src/blob/master/ext/opcache/jit/zend_jit_ir.c#L268-L296 IRでどう中間表現が実現されているか

ir_emit_codeでマシンコードを生成する（ CPUごとにマシンコード生成用ファイルがある） … https://github.com/php/php-src/blob/master/ext/opcache/jit/zend_jit_ir.c#L2780 IRでどう中間表現が実現されているか

ir_emit_codeでマシンコードを生成する（ CPUごとにマシンコード生成用ファイルがある） https://github.com/php/php-src/blob/master/ext/opcache/jit/ir/ir_x86.dasc#L10461 https://github.com/php/php-src/blob/master/ext/opcache/jit/ir/ir_aarch64.dasc#L5851 IRでどう中間表現が実現されているか

ir_emit_codeでマシンコードを生成する（ CPUごとにマシンコード生成用ファイルがある） https://github.com/php/php-src/blob/master/ext/opcache/jit/ir/ir_x86.dasc#L10461 https://github.com/php/php-src/blob/master/ext/opcache/jit/ir/ir_aarch64.dasc#L5851 IRでどう中間表現が実現されているかマシンコードの生成には、 PHP8.0の JITでも使用している DynASM を使っている

2012-2025 BASE, Inc. 42 完全理解した！ 42

2012-2025 BASE, Inc. 43 完全理解した ...？ 43

何か忘れている気がする

中間コードが 1つ増える =変換の工程が 1つ増えるから、遅くなるのでは？ Before After PHP Script オペコードマシンコード PHP Script オペコードマシンコード JIT FW IR用中間コード何か忘れている気がする

もしかして中間コードって増やせば増やすほど早くなる魔法のコードか！！？？？？何か忘れている気がする

もしかして中間コードって増やせば増やすほど早くなる魔法のコードか！！？？？？ ✖ 何か忘れている気がする

https://wiki.php.net/rfc/jit-ir 現在の新しい PHP JIT は、古いものとまったく同じ PHP 関連の機能と最適化のセットを実装しています。 IR フレームワークはより多くの最適化を提供し、よりスマートなレジスタアロケータを備えているため、JIT はより高速 (5 ～ 10%) でより小さなコードを生成します。何か忘れている気がする

2012-2025 BASE, Inc. 49 IRでどう中間表現が最適化されているか 49

遅くならないよう、色々な工程で最適化がされています https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP IRでどう中間表現が最適化されているか

詳細を話すと時間内で終わらないので、 PHPコード例で簡単に最適化の内容を話します https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP 中間コード作成マシンコード生成マシンコード生成前に必要な準備最適化最適化最適化 IRでどう中間表現が最適化されているか

定数畳み込み / 定数伝播による、式の単純化 &デッドコード削除 (FOLDING) (SCCP) https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP IRでどう中間表現が最適化されているか

// PHPでのコード例 $a = 30; $b = 9 - $a / 5; $c = $b * 4; if ($c > 10) { $c = $c - 10; } return $c * 2; IRでどう中間表現が最適化されているか

// $a の値を代入して、定数値に置き換える（定数伝搬） $a = 30; $b = 9 - 30 / 5; $c = $b * 4; if ($c > 10) { $c = $c - 10; } return $c * 2; IRでどう中間表現が最適化されているか

// 定数伝播を続けて、式を計算して単純な定数にする（定数畳み込み） $a = 30; $b = 3; $c = 12; if (12 > 10) { $c = $c - 10; } return $c * 2; IRでどう中間表現が最適化されているか

// if文が必ずtrueになるので消す（疎な条件分岐を考慮した定数伝播(SCCP)) $a = 30; $b = 3; $c = 12; $c = 12 - 10; // 2 return $c * 2; IRでどう中間表現が最適化されているか

// 最終的に定数になるまで単純化される return 4; IRでどう中間表現が最適化されているか

// もしif文がfalseだった場合は、if文には到達しない（デッドコードになる） $a = 30; $b = 3; $c = 9; if (9 > 10) { $c = $c - 10; } return $c * 2; IRでどう中間表現が最適化されているか

// デッドコードを削除して、 // 単純化する（疎な条件分岐を考慮した定数伝播(SCCP)） return 18; IRでどう中間表現が最適化されているか

同じ式の出現を探し出して、計算結果を格納する一つの変数に置き換える (CSE) https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP IRでどう中間表現が最適化されているか

// PHPでのコード例 $a1 = $b * $c + $g; $a2 = $b * $c * $d; $tmp = $b * $c; $a1 = $tmp + $g; $d2 = $tmp * $d; IRでどう中間表現が最適化されているか

// 全く同じ式が大量にでてきたとする（極端ではあるが） $a1 = $b * $c + $g; $a2 = $b * $c * $d; … $a5000000000 = $b * $c * $d; IRでどう中間表現が最適化されているか

// 一番最初に計算すると、計算コストが下がる（共通部分式除去(CSE)） $tmp = $b * $c; $a1 = $tmp + $g; $a2 = $tmp * $d; … $a5000000000 = $tmp * $d; IRでどう中間表現が最適化されているか

計算タイミングを前後することで、よりループの内側へ / デッドコードを削除 (GCM) https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP IRでどう中間表現が最適化されているか

function foo ($a): int { // PHPのコード例 $i = 0; do { $b = $a + 1; $i = $i + $b; $c = $i * 2; } while ($i < 10) { return $c; } } IRでどう中間表現が最適化されているか

IRでどう中間表現が最適化されているか内部のアルゴリズムについて知りたい人は、 Sea of Nodesの理解が必要なので、興味あればぜひ！下記の記事がわかりやすかったです！ https://darksi.de/d.sea-of-nodes/

最後に正直に話すと、ちょっと理解が正しいか自信がない部分もあります 🙇 もし知見があったりなにか気づいたことがあれば、 Q&AでもAsk the SpeakerでもXのポストでもカンファレンスの廊下でも、 FBいただけると助かります 🙏🙏🙏🙏🙏🙏 今回の話は範囲を絞っても、それだけで 20,40分トークで話せるぐらい奥深い分野なので、是非みなさんもインプット &アウトプットしてみてはいかがでしょうか！

PHP8.4におけるJITフレームワークIRと中間表現について理解を深める

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