PHP內核探索之變量（2）-理解引用

時間 2019-11-07

標籤 php 內核探索變量理解引用欄目 PHP 简体版

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本文主要內容：php

引論
符號表與zval
引用原理
回到最初的問題

1、引論

　　好久以前寫了一篇關於引用的文章，當時寫的寥寥草草，不少原理都沒有說清楚。最近在翻閱Derick Rethans（home: http://derickrethans.nl/ Github: https://github.com/derickr）大牛以前作的報告時，發現了一篇講解PHP引用機制的文章,也就是這個PDF.文中從zval和符號表的角度講解了引用計數、引用傳參、引用返回、全局參數等的原理，洋洋灑灑，圖文並茂，甚是精彩，建議童鞋們有時間都讀讀原版，相信會有很多的收穫。html

　　廢話很少說，接着說今天的正題。node

　　咱們知道，不少語言都提供了引用的機制，引用可讓咱們使用不一樣的名字（或符號）訪問一樣的內容。PHP手冊中對引用的定義是："在PHP中引用意味着用不一樣的名字訪問同一個變量內容。這並不像C的指針，替代的是，引用是符號表別名。"，換句話說，引用實現了某種形式的"綁定"。例如咱們常常碰到的這類面試題，即是引用的典範：git

$a = array(1,2,3,4);
foreach($a as &$v){
     $v *= $v;
}

foreach($a as $v){
     echo $v;
}

　　拋開本題的輸出不談，咱們今天就跟隨Derick Rethans前輩的腳步，一步一步去揭開引用的神祕面紗。github

2、符號表和zval

　　在開始引用的原理以前，咱們有必要對於文中反覆出現的術語作個簡單的說明，其中最主要也最重要的即是: 1.符號表 2.zval.web

1.　　符號表面試

　　計算機語言是人與機器交流的工具，但不幸的是，咱們賴以生存和引覺得傲的高級語言卻沒法直接在計算機上執行，由於計算機只能理解某種形式的機器語言。這意味着，高級語言必需要通過編譯（或解釋）過程才能被計算機理解和執行。在這其間，要通過詞法分析、語法分析、語義分析、中間代碼生成和優化等不少複雜的過程，而這些過程當中，編譯程序可能要反覆用到源程序中出現的標識符等信息（例如變量的類型檢查、語義分析階段的語義檢查），這些信息即是保存在不一樣的符號表中的。符號表保存了源程序中標識符的名字和屬性信息，這些信息可能包括：類型、存儲類型、做用域、存儲分配信息和其餘一些額外信息等。爲了高效的插入和查詢符號表項，不少編譯器的符號表都使用Hashtable來實現。咱們能夠簡單的理解爲：符號表就是一個保存了符號名和該符號的各種屬性的hashtable或者map。例如，對於程序：編程

$str = 'this is a test';

function foo( $a, $b ){
    $tmp = 12;
    return $tmp + $a + $b;
}
 
function to(){

}

一個可能的符號表(並不是實際的符號表)是相似這樣的結構：數組

　　咱們並不去關注符號表的具體結構，只須要知道：每一個函數、類、命名空間等都有本身的獨立的符號表（與全局的符號表分開）。說到這裏，忽然想起來一件事情，最開始使用PHP編程的時候，在讀extract()函數的手冊時，對於"從數組中將變量導入到當前的符號表"這句話的含義百思不得其解，更是對前輩們所說的"不建議使用extract($_POST)和extract($_GET)提取變量"的建議萬分苦惱。實際上，extract的濫用不只會有嚴重的安全性問題，並且會污染當前的符號表( active symbol table)。安全

　　那麼active symbol table又是什麼東西呢？

　　咱們知道，PHP代碼的執行過程當中，幾乎都是從全局做用域開始，依次掃描，順序執行。若是遇到函數調用，則進入該函數的內部執行，該函數執行完畢以後會返回到調用程序繼續執行。這意味着，必需要有某種機制用於區分不一樣階段所要使用的符號表，不然就會形成編譯和執行的錯亂。Active symbol table即是用於標誌當前活動的符號表（這時應該至少存在着全局的global symbol table和活動的active symbol table，一般狀況下，active symbol table就是指global symbol table）。符號表並非一開始就創建好的，而是隨着編譯程序的掃描不斷添加和更新的。在進入函數調用時，zend（PHP的語言解釋引擎）會建立該函數的符號表，並將active symbol table指向該符號表。也就是說，在任意時刻使用的的符號表都應該是當前的active symbol table。

　　以上就是符號表的所有內容了，咱們簡單抽離一下其中的關鍵內容：

符號表記錄了程序中符號的name-attribute對，這些信息對於編譯和執行是相當重要的。
符號表相似一個map或者hashtable
符號表不是一開始就創建好的，而是不斷添加和更新的過程。
活動符號表是一個指針，指向的是當前活動的符號表。

　　2. http://arantxa.ii.uam.es/~modonnel/Compilers/04_SymbolTablesI.pdf

2. Zval

　　在上一篇博客（PHP內核探索之變量（1）Zval）中，咱們已經對zval的結構和基本原理有了一些瞭解。對zval不瞭解的童鞋能夠先看看。爲了方便閱讀，咱們再次貼出zval的結構：

struct _zval_struct {
    zvalue_value value;       /* value */
    zend_uint refcount__gc;   /* variable ref count */
    zend_uchar type;         /* active type */
    zend_uchar is_ref__gc;    /* if it is a ref variable */
};

typedef struct _zval_struct zval;

3、引用

1.　　引用計數

　　正如上節所言，zval是PHP變量底層的真正容器，爲了節省空間，並非每一個變量都有本身獨立的zval容器，例如對於賦值（assign-by-value）操做:$a = $b（假設$b,$a都不是引用型變量），Zend並不會爲$b變量開闢新的空間，而是將符號表中a符號和b符號指向同一個zval。只有在其中一個變量發生變化時，纔會執行zval分離的操做。這被稱爲COW(Copy-on-write)的機制，能夠在必定程度上節省內存和提升效率。

　　爲了實現上述機制，須要對zval的引用狀態作標記，zval的結構中，refcount__gc即是用於計數的，這個值記錄了有多少個變量指向該zval, 在上述賦值操做中,$a=$b ,會增長原始的$b的zval的refcount值。關於這一點，上次(PHP內核探索之變量（1）Zval)已經作了詳細的解釋，這裏再也不贅述。

2. 函數傳參

　　在腳本執行的過程當中，全局的符號表幾乎是一直存在的，但除了這個全局的global symbol table，實際上還會生成其餘的symbol table：例如函數調用的過程當中，Zend會建立該函數的內部symbol table，用於存放函數內部變量的信息，而在函數調用結束後，會刪除該symbol table。咱們接下來以一個簡單的函數調用爲例，介紹一下在傳參的過程當中，變量和zval的狀態變化,咱們使用的測試腳本是：

function do_zval_test($s){
    $s = "change ";
    return $s;
}

$a = "before";
$b = do_zval_test($a);

咱們來逐步分析:

(1). $a = "before";

　　這會爲$a變量開闢一個新的zval（refcount=1,is_ref=0）,以下所示：

(2). 函數調用do_zval_test($a)

　　因爲函數的調用，Zend會爲do_zval_test這個函數建立單獨的符號表（其中包含該函數內部的符號s），同時，因爲$s其實是函數的形參，所以並不會爲$s建立新的zval，而是指向$a的zval。這時，$a指向的zval的refcount應該爲3（分別是$a,$s和函數調用堆棧）：

a: (refcount=3, is_ref=0)='before func'

　　以下圖所示：

(3).函數內部執行$s = "change "

　　因爲$s的值發生了改變，所以會執行zval分離，爲s專門copy生成一個新的zval:

(4).函數返回 return $s ; $b = do_zval_test($a).

　　$b與$s共享zval（暫時），準備銷燬函數中的符號表：

(5). 銷燬函數中的符號表，回到Global環境中：

　　這裏咱們順便說一句，在你使用debug_zval_dump()等函數查看zval的refcount時，會令zval自己的refcount值加1，因此實際的refcount的值應該是打印出的refcount減1，以下所示：

$src = "string";
debug_zval_dump($src);

結果是：

string(6) "string" refcount(2)

3. 引用初探

同上，咱們仍是直接上代碼，而後一步步分析（這個例子比較簡單，爲了完整性，咱們仍是稍微分析一下）：

$a = "simple test";
$b = &a;
$c = &a;

$b = 42;
unset($c);
unset($b);

則變量與zval的對應關係以下圖所示：（因而可知，unset的做用僅僅是將變量從符號表中刪除，並減小對應zval的refcount值）

上圖中值得注意的最後一步，在unset($b)以後，zval的is_ref值又變成了0。

那若是是混合了引用（assign-by-reference）和普通賦值(assign-by-value)的腳本，又是什麼狀況呢？

咱們的測試腳本：

(1). 先普通賦值後引用賦值

$a = "src";
$b = $a;
$c = &$b;

具體的過程見下圖：

(2). 先引用賦值後普通賦值

$a = "src";
$b = &$a;
$c = $a;

具體過程見下圖：

4.　　傳遞引用

一樣，向函數傳遞的參數也能夠以引用的形式傳遞，這樣能夠在函數內部修改變量的值。做爲實例，咱們仍使用2（函數傳參）中的腳本，只是參數改成引用的形式：

function do_zval_test(&$s){
    $s = "after";
    return $s;
}

$a = "before";
$b = do_zval_test($a);

這與上述函數傳參過程基本一致，不一樣的是，引用的傳遞使得$a的值發生了變化。並且，在函數調用結束以後 $a的is_ref恢復成0：

能夠看出，與普通的值傳遞相比，引用傳遞的不一樣在於：

(1) 第3步 $s = "change";時，並無爲$s新建一個zval，而是與$a指向同一個zval,這個zval的is_ref=1。

(2) 仍是第3步。$s = "change";執行後，因爲zval的is_ref=1，所以,間接的改變了$a的值

5.　　引用返回

　　PHP支持的另外一個特性是引用返回。咱們知道，在C/C++中，函數返回值時，實際上會生成一個值的副本，而在引用返回時，並不會生成副本，這種引用返回的方式能夠在必定程度上節省內存和提升效率。而在PHP中，狀況並不徹底是這樣。那麼，究竟什麼是引用返回呢？PHP手冊上是這麼說的："引用返回用在當想用函數找到引用應該被綁定在哪個變量上面時"，是否是一頭霧水，徹底不知所云？其實，英文手冊上是這樣描述的"Returning by reference is useful when you want to use a function to find to which variable a reference should be bound"。提取文中的主幹和關鍵點，咱們能夠獲得這樣的信息：

（1）. 引用返回是將引用綁定在一個變量上。

（2）. 這個變量不是肯定的，而是經過函數獲得的（否者咱們就可使用普通的引用了）。

這其實也說明了引用返回的侷限性：函數必須返回一個變量，而不能是一個表達式，否者就會出現相似下面的問題：

PHP Notice:  Only variable references should be returned by reference in xxx(參看PHP手冊中的Note).

那麼，引用返回時如何工做的呢？例如，對於以下的例子：

function &find_node($key,&$tree){
    $item = &$tree[$key];
    return $item;
}  

$tree = array(1=>'one',2=>'two',3=>'three');
$node =& find_node(3,$tree);
$node ='new';

Zend都作了哪些工做呢？咱們一步步來看。

(1). $tree = array(1=>'one',2=>'two',3=>'three')

同以前同樣，這會在Global symbol table中添加tree這個symbol，並生成該變量的zval。同時，爲數組$tree的每一個元素都生成相應的zval：

tree: (refcount=1, is_ref=0)=array (
    1 => (refcount=1, is_ref=0)='one',
    2 => (refcount=1, is_ref=0)='two',
    3 => (refcount=1, is_ref=0)='three'
)

以下圖所示：

（2）. find_node(3,&$tree)

　　因爲函數調用，Zend會進入函數的內部，建立該函數的內部symbol table，同時，因爲傳遞的參數是引用參數，所以zval的is_ref被標誌爲1，而refcount的值增長爲3（分別是全局tree,內部tree和函數堆棧）：

（3）$item = &$tree[$key];

　　因爲item是$tree[$key]的引用（在本例的調用中，$key是3），於是更新$tree[$key]指向zval的is_ref和refcount值：

（4）return $item，並執行引用綁定：

（5）函數返回，銷燬局部符號表。

　　tree對應的zval的is_ref恢復了0，refcount=1,$tree[3]被綁定在了$node變量上，對該變量的任何改變都會間接更改$tree[3]:

（6）更改$node的值，會反射到$tree的節點上，$node ='new'：

Note:爲了使用引用返回，必須在函數定義和函數調用的地方都顯式的使用&符號。

6. Global關鍵字

PHP中容許咱們在函數內部使用Global關鍵字引用全局變量（不加global關鍵字時引用的是函數的局部變量），例如：

$var = "outside";
function inside()
{
    $var = "inside";
    echo $var;
    global $var;
    echo $var;
}

inside();

輸出爲insideoutside

咱們只知道global關鍵字創建了一個局部變量和全局變量的綁定，那麼具體機制是什麼呢？

使用以下的腳本測試：

$var = "one";       
function update_var($value){
         global $var;
         unset($var);
         global $var;
         $var = $value;
}

update_var('four');
echo $var;

具體的分析過程爲：

（1）.$var = 'one';

同以前同樣，這會在全局的symbol table中添加var符號,並建立相應的zval：

(2).update_var('four')

因爲直接傳遞的是string而不是變量，於是會建立一個zval,該zval的is_ref=0,ref_count=2(分別是形參$value和函數的堆棧)，以下所示：

（3）global $var

　　global $var這句話，實際上會執行兩件事情:

(1).在函數內部的符號表中插入局部的var符號

(2).創建局部$var與全局變量$var之間的引用.

（4）unset($var);

這裏要注意的是，unset只是刪除函數內部符號表中var符號，而不是刪除全局的。同時，更新原zval的refcount值和is_ref引用標誌（引用解綁）：

(5).global $var

同3，再次創建局部$var與全局的$var的引用：

（6）$var = $value;

　　更改$var對應的zval的值，因爲引用的存在，全局的$var的值也隨之改變：

（7）函數返回，銷燬局部符號表（又回到最初的起點，但，一切已經大不同了）：

據此，咱們能夠總結出global關鍵字的過程和特性：

函數中聲明global，會在函數內部生成一個局部的變量，並與全局的變量創建引用。
函數中對global變量的任何更改操做都會間接更改全局變量的值。
函數unset局部變量不會影響global，而只是解除與全局變量的綁定。

4、回到最初的問題

如今，咱們對引用已經有了一個基本的認識。讓咱們回到最初的問題：

$a = array(1,2,3);
foreach($a as &$v){
     $v *= $v;
}

foreach($a as $v){
     echo $v;
}

這之中，究竟發生了什麼事情呢？

(1).$a = array(1,2,3);

這會在全局的symbol table中生成$a的zval而且爲每一個元素也生成相應的zval：

(2). foreach($a as &$v) {$v *= $v;}

這裏因爲是引用綁定，因此至關於對數組中的元素執行:

$v = &$a[0];
$v = &$a[1];
$v = &$a[2];

執行過程以下:

咱們發現，在此次的foreach執行完畢以後，$v = &$a[2].

（3）第二次foreach循環

foreach($a as $v){
     echo $v;
}

此次由於是普通的assign-by-value的賦值形式，所以，相似與執行：

$v = $a[0];
$v = $a[1];
$v = $a[2];

別忘了$v如今是$a[2]的引用，所以，賦值的過程會間接更改$a[2]的值。

過程以下：

所以，輸出結果應該爲144.

附：本文中的zval的調試方法。

若是要查看某一過程當中zval的變化，最好的辦法是在該過程的先後均加上調試代碼。例如

$a = 123;
xdebug_debug_zval('a');
$b=&$a;
xdebug_debug_zval('a');

配合畫圖，能夠獲得一個直觀的zval更新過程。

參考文獻：

因爲寫做匆忙，文中不免會有錯誤之處，歡迎指出探討。

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