php底層的運行機制和原理

時間 2019-12-18

標籤 php 底層運行機制原理欄目 PHP 简体版

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php設計的理念及特色

PHP 被設計爲一種適用於web開發的動態腳本語言，同時具備解釋型和弱類型，底層徹底由C語言實現。
- 解釋型即程序邊運行邊解釋，一行一行運行。
- 弱類型即變量類型一開始並非肯定的，可能在運行過程當中發生隱式或顯式轉換，這是php的底層的zval結構體決定的，這種機制的靈活性在web開發中很是方便、高效。
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全盤服務形成影響，固然，隨着時代發展，PHP也早已經支持多線程模型。php
引擎（Zend） + 組件（ext）的模式下降內部耦合。node
中間層（sapi）隔絕web server 和 PHP。web
語法簡單靈活，沒有太多規範。apache

PHP 的四層體系

PHP的核心架構以下圖：
編程

從上圖能夠看出，PHP從下到上是一個4層體系：api

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。數組
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）。安全
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。性能優化
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。數據結構

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。

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：

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

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。

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，通過此法解析、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。

PHP的執行的核心是翻譯出來一條一條指令，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程勳最終被翻譯爲一組opcode處理函數的順序執行。
常見的幾個處理函數

PHP
 
1    ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 變量分配 （$a=$b）
2    ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER：函數調用
3    ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER：字符串拼接 $a.$b
4    ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法運算 $a+2
5    ZEND_IS_EQUAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 $a==1
6    ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 $a===1

Hash Table —— 核心數據結構

HashTable 是Zend的核心數據結構，在PHP裏面幾乎被用來實現全部常見的功能，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：同時存在關聯數組和索引數組
- value 支持混合類型：array("string", 23332)
- 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

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、float、bool)、集合類型(string、array resource object)和常量(const)。
PHP沒有真正的float和int，PHP中的浮點數float 在底層是double，整型變量是 long int
PHP的字符串是二進制安全的，字符串中有len字段用來表示長度
PHP的數組是hash table，是線程安全的，不容許空值，但在迭代是會被鎖住，數組過大時性能會急劇降低。
以上全部的變量在底層都是同一種結構 zval結構體。

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：

struct _zval_struct {
    zend_value        value;            /* value */
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    type,            /* active type  主要是這個字段*/
                zend_uchar    type_flags,
                zend_uchar    const_flags,
                zend_uchar    reserved)        /* call info for EX(This) */
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u1;
    union {
        uint32_t     next;                 /* hash collision chain */
        uint32_t     cache_slot;           /* literal cache slot */
        uint32_t     lineno;               /* line number (for ast nodes) */
        uint32_t     num_args;             /* arguments number for EX(This) */
        uint32_t     fe_pos;               /* foreach position */
        uint32_t     fe_iter_idx;          /* foreach iterator index */
        uint32_t     access_flags;         /* class constant access flags */
        uint32_t     property_guard;       /* single property guard */
        uint32_t     extra;                /* not further specified */
    } u2;
};

Zval 主要由三部分組成：

聯合體：value 用來存放變量的值，是一個叫作zend_value的聯合體
聯合體：u1 標明變量的屬性
聯合體：u2 標明變量被使用的狀況

結構體和聯合體
struct(結構體) 和 union(聯合體)
結構體是8字節對齊，不夠8字節的部分則空出來；
聯合體共用一個8字節，共享這8字節的內存，後使用的會覆蓋先使用的
結構體和聯合體在形式上是類似的

變量的值實際存儲在zend_value的聯合體中，也就是value聯合體, 聯合體比結構體要節省不少空間，也由此實現了弱類型。
若是

typedef union _zend_value {
    zend_long         lval;                /* long value */     // 整型
    double            dval;                /* double value */   // 浮點型
    zend_refcounted  *counted;                                            
    zend_string      *str;                                             // 字符串
    zend_array       *arr;                                            // 數組
    zend_object      *obj;                                           // 對象
    zend_resource    *res;                                        // 資源
    zend_reference   *ref;                                         // 引用
    zend_ast_ref     *ast;            
    zval             *zv;
    void             *ptr;
    zend_class_entry *ce;                                        // 類
    zend_function    *func;                                        // 函數
    struct {
        uint32_t w1;
        uint32_t w2;
    } ww;
} zend_value;

PHP變量類型用 u1 聯合體來標示，其中u1結構以下

union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    type,            /* active type  主要是這個字段*/
                zend_uchar    type_flags,
                zend_uchar    const_flags,
                zend_uchar    reserved)        /* call info for EX(This) */
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u1;

和 value結構體實際存儲對應關係
type的值以下：

IS_UNDEEF    -> 0             // 未定義類型
IS_NULL         -> 1              // null類型
IS_FALSE       -> 2              // bool 假
IS_TRUE        -> 3              // bool 真
IS_LONG        -> 4              // 整型（長）
IS_DOUBLE    -> 5             // 浮點 （double）
IS_STRING     ->6              // string
IS_ARRAY       -> 7             // 數組
IS_OBJECT     -> 8             // 對象
IS_RESOURCE   -> 9         // 資源
IS_REFERENCE ->10        // 引用

當知道u1中type的值以後，咱們去 _zend_value 也是就 value聯合體中取對應類型的值好比，type 是 IS_LONG ，zval 就是整型，咱們就去value中取 lval，這就是一個php的整型變量，一共佔8+4+4=16字節，直接複製。

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