PHP底层的运行机制与原理

PHP入门很简单,但是要精通也不是一件简单的事。我们除了会使用之外,还得知道它底层的工作原理。
 
PHP是一种适用于web开发的动态语言。具体点说,就是一个用C语言实现包含大量组件的软件框架。更狭义点看,可以把它认为是一个强大的UI框架。
 
了解PHP底层实现的目的是什么?动态语言要像用好首先得了解它,内存管理、框架模型值得我们借鉴,通过扩展开发实现更多更强大的功能,优化我们程序的性能。
 
1. PHP的设计理念及特点

多进程模型:由于PHP是多进程模型,不同请求间互不干涉,这样保证了一个请求挂掉不会对全盘服务造成影响,当然,随着时代发展,PHP也早已支持多线程模型。

弱类型语言:和C/C++、Java、C#等语言不同,PHP是一门弱类型语言。一个变量的类型并不是一开始就确定不变,运行中才会确定并可能发生隐式或显式的类型转换,这种机制的灵活性在web开发中非常方便、高效,具体会在后面PHP变量中详述。

引擎(Zend)+组件(ext)的模式降低内部耦合。

中间层(sapi)隔绝web server和PHP。

语法简单灵活,没有太多规范。缺点导致风格混杂,但再差的程序员也不会写出太离谱危害全局的程序。
 
2. PHP的四层体系
 
PHP的核心架构如下图:

PHP底层的运行机制与原理

从图上可以看出,PHP从下到上是一个4层体系:

Zend引擎:Zend整体用纯C实现,是PHP的内核部分,它将PHP代码翻译(词法、语法解析等一系列编译过程)为可执行opcode的处理并实现相应的处理方法、实现了基本的数据结构(如hashtable、oo)、内存分配及管理、提供了相应的api方法供外部调用,是一切的核心,所 有的外围功能均围绕Zend实现。

Extensions:围绕着Zend引擎,extensions通过组件式的方式提供各种基础服务,我们常见的各种内置函数(如array系列)、标准库等都是通过extension来实现,用户也可以根据需要实现自己的extension以达到功能扩展、性能优化等目的(如贴吧正在使用的 PHP中间层、富文本解析就是extension的典型应用)。

Sapi:Sapi全称是Server Application Programming Interface,也就是服务端应用编程接口,Sapi通过一系列钩子函数,使得PHP可以和外围交互数据,这是PHP非常优雅和成功的一个设计,通过sapi成功的将PHP本身和上层应用解耦隔离,PHP可以不再考虑如何针对不同应用进行兼容,而应用本身也可以针对自己的特点实现不同的处理方式。

上层应用:这就是我们平时编写的PHP程序,通过不同的sapi方式得到各种各样的应用模式,如通过webserver实现web应用、在命令行下以脚本方式运行等等。
 
如果PHP是一辆车,那么车的框架就是PHP本身,Zend是车的引擎(发动机),Ext下面的各种组件就是车的轮子,Sapi可以看做是公路,车可以跑在不同类型的公路上,而一次PHP程序的执行就是汽车跑在公路上。因此,我们需要:性能优异的引擎+合适的车轮+正确的跑道。
 
3. Sapi
 
如前所述,Sapi通过通过一系列的接口,使得外部应用可以和PHP交换数据并可以根据不同应用特点实现特定的处理方法,我们常见的一些sapi有:

apache2handler:这是以apache作为webserver,采用mod_PHP模式运行时候的处理方式,也是现在应用最广泛的一种。

cgi:这是webserver和PHP直接的另一种交互方式,也就是大名鼎鼎的fastcgi协议,在最近今年fastcgi+PHP得到越来越多的应用,也是异步webserver所唯一支持的方式。

cli:命令行调用的应用模式
 
4. PHP的执行流程&opcode
 
我们先来看看PHP代码的执行所经过的流程。

PHP底层的运行机制与原理

从图上可以看到,PHP实现了一个典型的动态语言执行过程:拿到一段代码后,经过词法解析、语法解析等阶段后,源程序会被翻译成一个个指令(opcodes),然后ZEND虚拟机顺次执行这些指令完成操作。PHP本身是用C实现的,因此最终调用的也都是C的函数,实际上,我们可以把PHP看 做是一个C开发的软件。
 
PHP的执行的核心是翻译出来的一条一条指令,也即opcode。Opcode是PHP程序执行的最基本单位。一个opcode由两个参数(op1,op2)、返回值和处理函数组成。PHP程序最终被翻译为一组opcode处理函数的顺序执行。
 
常见的几个处理函数:
 
(1) ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 变量分配 ($a=$b)
 
(2) ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER:函数调用
 
(3) ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER:字符串拼接 $a.$b
 
(4) ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法运算 $a+2
 
(5) ZEND_IS_EQUAL_SPEC_CV_CONST:判断相等 $a==1
 
(6) ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST:判断相等 $a===1

5. HashTable — 核心数据结构
 
HashTable是zend的核心数据结构,在PHP里面几乎并用来实现所有常见功能,我们知道的PHP数组即是其典型应用,此外,在zend内部,如函数符号表、全局变量等也都是基于hash table来实现。
 
PHP的hash table具有如下特点:

支持典型的key->value查询

可以当做数组使用

添加、删除节点是O(1)复杂度

key支持混合类型:同时存在关联数组合索引数组

Value支持混合类型:array (“string”,2332)

支持线性遍历:如foreach
 
Zend hash table实现了典型的hash表散列结构,同时通过附加一个双向链表,提供了正向、反向遍历数组的功能。其结构如下图:

PHP底层的运行机制与原理

可以看到,在hash table中既有key->value形式的散列结构,也有双向链表模式,使得它能够非常方便的支持快速查找和线性遍历。

散列结构:Zend的散列结构是典型的hash表模型,通过链表的方式来解决冲突。需要注意的是zend的hash table是一个自增长的数据结构,当hash表数目满了之后,其本身会动态以2倍的方式扩容并重新元素位置。初始大小均为8。另外,在进行key->value快速查找时候,zend本身还做了一些优化,通过空间换时间的方式加快速度。比如在每个元素中都会用一个变量 nKeyLength标识key的长度以作快速判定。

双向链表:Zend hash table通过一个链表结构,实现了元素的线性遍历。理论上,做遍历使用单向链表就够了,之所以使用双向链表,主要目的是为了快速删除,避免遍历。 Zend hash table是一种复合型的结构,作为数组使用时,即支持常见的关联数组也能够作为顺序索引数字来使用,甚至允许2者的混合。

PHP关联数组:关联数组是典型的hash_table应用。一次查询过程经过如下几步(从代码可以看出,这是一个常见的hash查询过程并增加一些快速判定加速查找。
 
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索引数组:索引数组就是我们常见的数组,通过下标访问。例如 $arr[0],Zend HashTable内部进行了归一化处理,对于index类型key同样分配了hash值和nKeyLength(为0)。内部成员变量 nNextFreeElement就是当前分配到的最大id,每次push后自动加一。正是这种归一化处理,PHP才能够实现关联和非关联的混合。由于push操作的特殊性,索引key在PHP数组中先后顺序并不是通过下标大小来决定,而是由push的先后决定。例如 $arr[1] = 2; $arr[2] = 3;对于double类型的key,Zend HashTable会将他当做索引key处理。
 
6. PHP变量
 
PHP是一门弱类型语言,本身不严格区分变量的类型。PHP在变量申明的时候不需要指定类型。PHP在程序运行期间可能进行变量类型的隐示转换。和其他强类型语言一样,程序中也可以进行显示的类型转换。PHP变量可以分为简单类型(int、string、bool)、集合类型(array resource object)和常量(const)。以上所有的变量在底层都是同一种结构 zval。
 
Zval是zend中另一个非常重要的数据结构,用来标识并实现PHP变量,其数据结构如下:

PHP底层的运行机制与原理

Zval主要由三部分组成:

type:指定了变量所述的类型(整数、字符串、数组等)

refcount&is_ref:用来实现引用计数(后面具体介绍)

value:核心部分,存储了变量的实际数据
 
Zvalue是用来保存一个变量的实际数据。因为要存储多种类型,所以zvalue是一个union,也由此实现了弱类型。
 
PHP变量类型和其实际存储对应关系如下:
 
IS_LONG   -> lvalue
 
IS_DOUBLE -> dvalue
 
IS_ARRAY  -> ht
 
IS_STRING -> str
 
IS_RESOURCE -> lvalue

引用计数在内存回收、字符串操作等地方使用非常广泛。PHP中的变量就是引用计数的典型应用。Zval的引用计数通过成员变量is_ref和ref_count实现,通过引用计数,多个变量可以共享同一份数据。避免频繁拷贝带来的大量消耗。
 
在进行赋值操作时,zend将变量指向相同的zval同时ref_count++,在unset操作时,对应的ref_count-1。只有ref_count减为0时才会真正执行销毁操作。如果是引用赋值,则zend会修改is_ref为1。
 
PHP变量通过引用计数实现变量共享数据,那如果改变其中一个变量值呢?当试图写入一个变量时,Zend若发现该变量指向的zval被多个变量共享,则为其复制一份ref_count为1的zval,并递减原zval的refcount,这个过程称为“zval分离”。可见,只有在有写操作发生时 zend才进行拷贝操作,因此也叫copy-on-write(写时拷贝)
 
对于引用型变量,其要求和非引用型相反,引用赋值的变量间必须是捆绑的,修改一个变量就修改了所有捆绑变量。
 
整数、浮点数是PHP中的基础类型之一,也是一个简单型变量。对于整数和浮点数,在zvalue中直接存储对应的值。其类型分别是long和double。
 
从zvalue结构中可以看出,对于整数类型,和c等强类型语言不同,PHP是不区分int、unsigned int、long、long long等类型的,对它来说,整数只有一种类型也就是long。由此,可以看出,在PHP里面,整数的取值范围是由编译器位数来决定而不是固定不变的。
 
对于浮点数,类似整数,它也不区分float和double而是统一只有double一种类型。
 
在PHP中,如果整数范围越界了怎么办?这种情况下会自动转换为double类型,这个一定要小心,很多trick都是由此产生。
 
和整数一样,字符变量也是PHP中的基础类型和简单型变量。通过zvalue结构可以看出,在PHP中,字符串是由由指向实际数据的指针和长度结 构体组成,这点和c++中的string比较类似。由于通过一个实际变量表示长度,和c不同,它的字符串可以是2进制数据(包含\0),同时在PHP中, 求字符串长度strlen是O(1)操作。
 
在新增、修改、追加字符串操作时,PHP都会重新分配内存生成新的字符串。最后,出于安全考虑,PHP在生成一个字符串时末尾仍然会添加\0
 
常见的字符串拼接方式及速度比较:
 
假设有如下4个变量:

$strA=‘123’; $strB = ‘456’; $intA=123; intB=456;
 
现在对如下的几种字符串拼接方式做一个比较和说明:
 
(1)$res = $strA.$strB 和 $res = “$strA$strB”
 
这种情况下,zend会重新malloc一块内存并进行相应处理,其速度一般。
 
(2)$strA = $strA.$strB
 
这种是速度最快的,zend会在当前strA基础上直接relloc,避免重复拷贝。
 
(3)$res = $intA.$intB
 
这种速度较慢,因为需要做隐式的格式转换,实际编写程序中也应该注意尽量避免。
 
(4)$strA = sprintf (“%s%s”,$strA.$strB);
 
这会是最慢的一种方式,因为sprintf在PHP中并不是一个语言结构,本身对于格式识别和处理就需要耗费比较多时间,另外本身机制也是malloc。不过sprintf的方式最具可读性,实际中可以根据具体情况灵活选择。
 
PHP的数组通过Zend HashTable来天然实现。
 
foreach操作如何实现?对一个数组的foreach就是通过遍历hashtable中的双向链表完成。对于索引数组,通过foreach遍 历效率比for高很多,省去了key->value的查找。count操作直接调用 HashTable->NumOfElements,O(1)操作。对于’123’这样的字符串,zend会转换为其整数形 式。$arr[‘123’]和$arr[123]是等价的。
 
资源类型变量是PHP中最复杂的一种变量,也是一种复合型结构。
 
PHP的zval可以表示广泛的数据类型,但是对于自定义的数据类型却很难充分描述。由于没有有效的方式描绘这些复合结构,因此也没有办法对它们使用传统的操作符。要解决这个问题,只需要通过一个本质上任意的标识符(label)引用指针,这种方式被称为资源。
 
在zval中,对于resource,lval作为指针来使用,直接指向资源所在的地址。Resource可以是任意的复合结构,我们熟悉的mysqli、fsock、memcached等都是资源。
 
如何使用资源:

注册:对于一个自定义的数据类型,要想将它作为资源。首先需要进行注册,zend会为它分配全局唯一标示。

获取一个资源变量:对于资源,zend维护了一个id->实际数据的hash_tale。对于一个resource,在zval中只记录了它的id。fetch的时候通过id在hash_table中找到具体的值返回。

资源销毁:资源的数据类型是多种多样的。Zend本身没有办法销毁它。因此需要用户在注册资源的时候提供销毁函数。当unset资源时,zend调用相应的函数完成析构。同时从全局资源表中删除它。
 
资源可以长期驻留,不只是在所有引用它的变量超出作用域之后,甚至是在一个请求结束了并且新的请求产生之后。这些资源称为持久资源,因为它们贯通SAPI的整个生命周期持续存在,除非特意销毁。很多情况下,持久化资源可以在一定程度上提高性能。比如我们常见的mysql_pconnect ,持久化资源通过pemalloc分配内存,这样在请求结束的时候不会释放。 对zend来说,对两者本身并不区分。
 
PHP中的局部变量和全局变量是如何实现的?对于一个请求,任意时刻PHP都可以看到两个符号表(symbol_table和active_symbol_table),其中前者用来维护全局变量。后者是一个指针,指向当前活动的变量符号表,当程序进入到某个函数中时,zend 就会为它分配一个符号表x同时将active_symbol_table指向a。通过这样的方式实现全局、局部变量的区分。
 
获取变量值:PHP的符号表是通过hash_table实现的,对于每个变量都分配唯一标识,获取的时候根据标识从表中找到相应zval返回。
 
函数中使用全局变量:在函数中,我们可以通过显式申明global来使用全局变量。在active_symbol_table中创建symbol_table中同名变量的引用,如果symbol_table中没有同名变量则会先创建。

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