PHP 底層的運行機制與原理 --轉

時間 2019-11-13

標籤 php 底層運行機制原理欄目 PHP 简体版

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PHP說簡單，可是要精通也不是一件簡單的事。咱們除了會使用以外，還得知道它底層的工做原理。c++

PHP是一種適用於web開發的動態語言。具體點說，就是一個用C語言實現包含大量組件的軟件框架。更狹義點看，能夠把它認爲是一個強大的UI框架。git

瞭解PHP底層實現的目的是什麼？動態語言要像用好首先得了解它，內存管理、框架模型值得咱們借鑑，經過擴展開發實現更多更強大的功能，優化咱們程序的性能。程序員

1. PHP的設計理念及特色

多進程模型：因爲PHP是多進程模型，不一樣請求間互不干涉，這樣保證了一個請求掛掉不會對全盤服務形成影響，固然，隨着時代發展，PHP也早已支持多線程模型。
弱類型語言：和C/C++、Java、C#等語言不一樣，PHP是一門弱類型語言。一個變量的類型並非一開始就肯定不變，運行中才會肯定並可能發生隱式或顯式的類型轉換，這種機制的靈活性在web開發中很是方便、高效，具體會在後面PHP變量中詳述。
引擎(Zend)+組件(ext)的模式下降內部耦合。
中間層(sapi)隔絕web server和PHP。
語法簡單靈活，沒有太多規範。缺點致使風格混雜，但再差的程序員也不會寫出太離譜危害全局的程序。

2. PHP的四層體系

PHP的核心架構以下圖：github

從圖上能夠看出，PHP從下到上是一個4層體系：web

Zend引擎：Zend總體用純C實現，是PHP的內核部分，它將PHP代碼翻譯（詞法、語法解析等一系列編譯過程）爲可執行opcode的處理並實現相應的處理方法、實現了基本的數據結構（如hashtable、oo）、內存分配及管理、提供了相應的api方法供外部調用，是一切的核心，全部的外圍功能均圍繞Zend實現。
Extensions：圍繞着Zend引擎，extensions經過組件式的方式提供各類基礎服務，咱們常見的各類內置函數（如array系列）、標準庫等都是經過extension來實現，用戶也能夠根據須要實現本身的extension以達到功能擴展、性能優化等目的（如貼吧正在使用的PHP中間層、富文本解析就是extension的典型應用）。
Sapi：Sapi全稱是Server Application Programming Interface，也就是服務端應用編程接口，Sapi經過一系列鉤子函數，使得PHP能夠和外圍交互數據，這是PHP很是優雅和成功的一個設計，經過sapi成功的將PHP自己和上層應用解耦隔離，PHP能夠再也不考慮如何針對不一樣應用進行兼容，而應用自己也能夠針對本身的特色實現不一樣的處理方式。
上層應用：這就是咱們平時編寫的PHP程序，經過不一樣的sapi方式獲得各類各樣的應用模式，如經過webserver實現web應用、在命令行下以腳本方式運行等等。

若是PHP是一輛車，那麼車的框架就是PHP自己，Zend是車的引擎（發動機），Ext下面的各類組件就是車的輪子，Sapi能夠看作是公路，車能夠跑在不一樣類型的公路上，而一次PHP程序的執行就是汽車跑在公路上。所以，咱們須要：性能優異的引擎+合適的車輪+正確的跑道。sql

3. Sapi

如前所述，Sapi經過經過一系列的接口，使得外部應用能夠和PHP交換數據並能夠根據不一樣應用特色實現特定的處理方法，咱們常見的一些sapi有：apache

apache2handler：這是以apache做爲webserver，採用mod_PHP模式運行時候的處理方式，也是如今應用最普遍的一種。
cgi：這是webserver和PHP直接的另外一種交互方式，也就是大名鼎鼎的fastcgi協議，在最近今年fastcgi+PHP獲得愈來愈多的應用，也是異步webserver所惟一支持的方式。
cli：命令行調用的應用模式

4. PHP的執行流程&opcode

咱們先來看看PHP代碼的執行所通過的流程。編程

從圖上能夠看到，PHP實現了一個典型的動態語言執行過程：拿到一段代碼後，通過詞法解析、語法解析等階段後，源程序會被翻譯成一個個指令(opcodes)，而後ZEND虛擬機順次執行這些指令完成操做。PHP自己是用C實現的，所以最終調用的也都是C的函數，實際上，咱們能夠把PHP看作是一個C開發的軟件。api

PHP的執行的核心是翻譯出來的一條一條指令，也即opcode。

Opcode是PHP程序執行的最基本單位。一個opcode由兩個參數(op1,op2)、返回值和處理函數組成。PHP程序最終被翻譯爲一組opcode處理函數的順序執行。

常見的幾個處理函數：

ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 變量分配（$a=$b）

ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER：函數調用

ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER：字符串拼接 $a.$b

ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法運算 $a+2

ZEND_IS_EQUAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 $a==1

ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 $a===1

5. HashTable — 核心數據結構

HashTable是zend的核心數據結構，在PHP裏面幾乎並用來實現全部常見功能，咱們知道的PHP數組便是其典型應用，此外，在zend內部，如函數符號表、全局變量等也都是基於hash table來實現。

PHP的hash table具備以下特色：

支持典型的key->value查詢
能夠當作數組使用
添加、刪除節點是O（1）複雜度
key支持混合類型：同時存在關聯數組合索引數組
Value支持混合類型：array (「string」,2332)
支持線性遍歷：如foreach

Zend hash table實現了典型的hash表散列結構，同時經過附加一個雙向鏈表，提供了正向、反向遍歷數組的功能。其結構以下圖：

能夠看到，在hash table中既有key->value形式的散列結構，也有雙向鏈表模式，使得它可以很是方便的支持快速查找和線性遍歷。

散列結構：Zend的散列結構是典型的hash表模型，經過鏈表的方式來解決衝突。須要注意的是zend的hash table是一個自增加的數據結構，當hash表數目滿了以後，其自己會動態以2倍的方式擴容並從新元素位置。初始大小均爲8。另外，在進行key->value快速查找時候，zend自己還作了一些優化，經過空間換時間的方式加快速度。好比在每一個元素中都會用一個變量nKeyLength標識key的長度以做快速斷定。
雙向鏈表：Zend hash table經過一個鏈表結構，實現了元素的線性遍歷。理論上，作遍歷使用單向鏈表就夠了，之因此使用雙向鏈表，主要目的是爲了快速刪除，避免遍歷。Zend hash table是一種複合型的結構，做爲數組使用時，即支持常見的關聯數組也可以做爲順序索引數字來使用，甚至容許2者的混合。
PHP關聯數組：關聯數組是典型的hash_table應用。一次查詢過程通過以下幾步（從代碼能夠看出，這是一個常見的hash查詢過程並增長一些快速斷定加速查找。）：

getKeyHashValue h;

index = n & nTableMask;

Bucket *p = arBucket[index];

while (p) {

if ((p->h == h) & (p->nKeyLength == nKeyLength)) {

RETURN p->data;

}

p=p->next;

}

RETURN FALTURE;

PHP索引數組：索引數組就是咱們常見的數組，經過下標訪問。例如 $arr[0]，Zend HashTable內部進行了歸一化處理，對於index類型key一樣分配了hash值和nKeyLength(爲0)。內部成員變量nNextFreeElement就是當前分配到的最大id，每次push後自動加一。正是這種歸一化處理，PHP纔可以實現關聯和非關聯的混合。因爲push操做的特殊性，索引key在PHP數組中前後順序並非經過下標大小來決定，而是由push的前後決定。例如 $arr[1] = 2; $arr[2] = 3;對於double類型的key，Zend HashTable會將他當作索引key處理

6. PHP變量

PHP是一門弱類型語言，自己不嚴格區分變量的類型。PHP在變量申明的時候不須要指定類型。PHP在程序運行期間可能進行變量類型的隱示轉換。和其餘強類型語言同樣，程序中也能夠進行顯示的類型轉換。PHP變量能夠分爲簡單類型(int、string、bool)、集合類型(array resource object)和常量(const)。以上全部的變量在底層都是同一種結構 zval。

Zval是zend中另外一個很是重要的數據結構，用來標識並實現PHP變量，其數據結構以下：

Zval主要由三部分組成：

type：指定了變量所述的類型（整數、字符串、數組等）
refcount&is_ref：用來實現引用計數(後面具體介紹)
value：核心部分，存儲了變量的實際數據

Zvalue是用來保存一個變量的實際數據。由於要存儲多種類型，因此zvalue是一個union，也由此實現了弱類型。

PHP變量類型和其實際存儲對應關係以下：

IS_LONG -> lvalue

IS_DOUBLE -> dvalue

IS_ARRAY -> ht

IS_STRING -> str

IS_RESOURCE -> lvalue

引用計數在內存回收、字符串操做等地方使用很是普遍。PHP中的變量就是引用計數的典型應用。Zval的引用計數經過成員變量is_ref和ref_count實現，經過引用計數，多個變量能夠共享同一份數據。避免頻繁拷貝帶來的大量消耗。

在進行賦值操做時，zend將變量指向相同的zval同時ref_count++，在unset操做時，對應的ref_count-1。只有ref_count減爲0時纔會真正執行銷燬操做。若是是引用賦值，則zend會修改is_ref爲1。

PHP變量經過引用計數實現變量共享數據，那若是改變其中一個變量值呢？當試圖寫入一個變量時，Zend若發現該變量指向的zval被多個變量共享，則爲其複製一份ref_count爲1的zval，並遞減原zval的refcount，這個過程稱爲「zval分離」。可見，只有在有寫操做發生時zend才進行拷貝操做，所以也叫copy-on-write(寫時拷貝)

對於引用型變量，其要求和非引用型相反，引用賦值的變量間必須是捆綁的，修改一個變量就修改了全部捆綁變量。

整數、浮點數是PHP中的基礎類型之一，也是一個簡單型變量。對於整數和浮點數，在zvalue中直接存儲對應的值。其類型分別是long和double。

從zvalue結構中能夠看出，對於整數類型，和c等強類型語言不一樣，PHP是不區分int、unsigned int、long、long long等類型的，對它來講，整數只有一種類型也就是long。由此，能夠看出，在PHP裏面，整數的取值範圍是由編譯器位數來決定而不是固定不變的。

對於浮點數，相似整數，它也不區分float和double而是統一隻有double一種類型。

在PHP中，若是整數範圍越界了怎麼辦？這種狀況下會自動轉換爲double類型，這個必定要當心，不少trick都是由此產生。

和整數同樣，字符變量也是PHP中的基礎類型和簡單型變量。經過zvalue結構能夠看出，在PHP中，字符串是由由指向實際數據的指針和長度結構體組成，這點和c++中的string比較相似。因爲經過一個實際變量表示長度，和c不一樣，它的字符串能夠是2進制數據（包含），同時在PHP中，求字符串長度strlen是O(1)操做。

在新增、修改、追加字符串操做時，PHP都會從新分配內存生成新的字符串。最後，出於安全考慮，PHP在生成一個字符串時末尾仍然會添加

常見的字符串拼接方式及速度比較：

假設有以下4個變量：$strA=‘123’; $strB = ‘456’; $intA=123; intB=456;

如今對以下的幾種字符串拼接方式作一個比較和說明：

$res = $strA.$strB和$res = 「$strA$strB」

這種狀況下， zend會從新malloc一塊內存並進行相應處理，其速度通常

$strA = $strA.$strB

這種是速度最快的， zend會在當前strA基礎上直接relloc，避免重複拷貝

$res = $intA.$intB

這種速度較慢，由於須要作隱式的格式轉換，實際編寫程序中也應該注意儘可能避免

$strA = sprintf (「%s%s」,$strA.$strB);

這會是最慢的一種方式，由於 sprintf在PHP中並非一個語言結構，自己對於格式識別和處理就須要耗費比較多時間，另外自己機制也是malloc。不過sprintf的方式最具可讀性，實際中能夠根據具體狀況靈活選擇。

PHP的數組經過Zend HashTable來自然實現。

foreach操做如何實現？對一個數組的foreach就是經過遍歷hashtable中的雙向鏈表完成。對於索引數組，經過foreach遍歷效率比for高不少，省去了key->value的查找。count操做直接調用HashTable->NumOfElements，O(1)操做。對於’123’這樣的字符串，zend會轉換爲其整數形式。$arr[‘123’]和$arr[123]是等價的

資源類型變量是PHP中最複雜的一種變量，也是一種複合型結構。

PHP的zval能夠表示普遍的數據類型，可是對於自定義的數據類型卻很難充分描述。因爲沒有有效的方式描繪這些複合結構，所以也沒有辦法對它們使用傳統的操做符。要解決這個問題，只須要經過一個本質上任意的標識符（label）引用指針，這種方式被稱爲資源。

在zval中，對於resource，lval做爲指針來使用，直接指向資源所在的地址。Resource能夠是任意的複合結構，咱們熟悉的mysqli、fsock、memcached等都是資源。

如何使用資源：

註冊：對於一個自定義的數據類型，要想將它做爲資源。首先須要進行註冊，zend會爲它分配全局惟一標示。
獲取一個資源變量：對於資源，zend維護了一個id->實際數據的hash_tale。對於一個resource，在zval中只記錄了它的id。fetch的時候經過id在hash_table中找到具體的值返回。
資源銷燬：資源的數據類型是多種多樣的。Zend自己沒有辦法銷燬它。所以須要用戶在註冊資源的時候提供銷燬函數。當unset資源時，zend調用相應的函數完成析構。同時從全局資源表中刪除它。

資源能夠長期駐留，不僅是在全部引用它的變量超出做用域以後，甚至是在一個請求結束了而且新的請求產生以後。這些資源稱爲持久資源，由於它們貫通SAPI的整個生命週期持續存在，除非特地銷燬。不少狀況下，持久化資源能夠在必定程度上提升性能。好比咱們常見的mysql_pconnect ,持久化資源經過pemalloc分配內存，這樣在請求結束的時候不會釋放。
對zend來講，對二者自己並不區分。

PHP中的局部變量和全局變量是如何實現的？對於一個請求，任意時刻PHP均可以看到兩個符號表(symbol_table和active_symbol_table)，其中前者用來維護全局變量。後者是一個指針，指向當前活動的變量符號表，當程序進入到某個函數中時，zend就會爲它分配一個符號表x同時將active_symbol_table指向a。經過這樣的方式實現全局、局部變量的區分。

獲取變量值：PHP的符號表是經過hash_table實現的，對於每一個變量都分配惟一標識，獲取的時候根據標識從表中找到相應zval返回。

函數中使用全局變量：在函數中，咱們能夠經過顯式申明global來使用全局變量。在active_symbol_table中建立symbol_table中同名變量的引用，若是symbol_table中沒有同名變量則會先建立。