Не кэшируются is_file, is_dir и file_exists

много обращений к этим функциям касательно одного и того же файла? и все это в рамках одного php-процесса?

На скорую руку не скажу к одному ли и тому же файлу. Но в рамках одного процесса.

Схема нагрузки такая: один пользователь гуляет по 10 страницам (одни и те же страницы, ничего не меняется). Таких пользователей 1000.

На мой взгляд, опкэш должен был закэшировать это всё, так как вообще ничего не меняется. Но самые долгие обращения идут именно к этим функциям. Должны ли они кэшироваться, если должны, то как это настроить. Сколько не читал про опкэш - настроек у него особых нет. Памяти свободной у него - хоть отбавляй.

ну, долгие обращения не исключают кэширования, может там поиск по кэшу долгий; а еще в php есть какая-то функция, которая объявляет кэш протухшим, может она там у тебя постоянно вызывается?

а вообще, я про опкэш только сейчас услышал, просто из общих соображений рассуждаю, пока более опытные товарищи подтягиваются :)

opcache кеширует только opcache IMHO.

Если strace на php-fpm покажет число проверок файлов сопроставимое с числом php-шных вызовов значит кто-то сбрасывает кеш php (типа clearstatcache())