PHP底層的運行機制與原理

來源:互聯網
上載者:User

PHP入門很簡單,但是要精通也不是一件簡單的事。我們除了會使用之外,還得知道它底層的工作原理。
 
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體架構。更狹義點看,可以把它認為是一個強大的UI架構。
 
瞭解PHP底層實現的目的是什嗎?動態語言要像用好首先得瞭解它,記憶體管理、架構模型值得我們借鑒,通過擴充開發實現更多更強大的功能,最佳化我們程式的效能。
 
1. PHP的設計理念及特點

多進程模型:由於PHP是多進程模型,不同請求間互不干涉,這樣保證了一個請求掛掉不會對全盤服務造成影響,當然,隨著時代發展,PHP也早已支援多執行緒模式。

弱類型語言:和C/C++、Java、C#等語言不同,PHP是一門弱類型語言。一個變數的類型並不是一開始就確定不變,運行中才會確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開發中非常方便、高效,具體會在後面PHP變數中詳述。

引擎(Zend)+組件(ext)的模式降低內部耦合。

中介層(sapi)隔絕web server和PHP。

文法簡單靈活,沒有太多規範。缺點導致風格混雜,但再差的程式員也不會寫出太離譜危害全域的程式。
 
2. PHP的四層體系
 
PHP的核心架構如下圖:

從圖上可以看出,PHP從下到上是一個4層體系:

Zend引擎:Zend整體用純C實現,是PHP的核心部分,它將PHP代碼翻譯(詞法、文法解析等一系列編譯過程)為可執行opcode的處理並實現相應的處理方法、實現了基本的資料結構(如hashtable、oo)、記憶體配置及管理、提供了相應的api方法供外部調用,是一切的核心,所 有的外圍功能均圍繞Zend實現。

Extensions:圍繞著Zend引擎,extensions通過組件式的方式提供各種基礎服務,我們常見的各種內建函數(如array系列)、標準庫等都是通過extension來實現,使用者也可以根據需要實現自己的extension以達到功能擴充、效能最佳化等目的(如貼吧正在使用的 PHP中介層、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介面,Sapi通過一系列鉤子函數,使得PHP可以和外圍互動資料,這是PHP非常優雅和成功的一個設計,通過sapi成功的將PHP本身和上層應用解耦隔離,PHP可以不再考慮如何針對不同應用進行相容,而應用本身也可以針對自己的特點實現不同的處理方式。

上層應用:這就是我們平時編寫的PHP程式,通過不同的sapi方式得到各種各樣的應用模式,如通過webserver實現web應用、在命令列下以指令碼方式運行等等。
 
如果PHP是一輛車,那麼車的架構就是PHP本身,Zend是車的引擎(發動機),Ext下面的各種組件就是車的輪子,Sapi可以看做是公路,車可以跑在不同類型的公路上,而一次PHP程式的執行就是汽車跑在公路上。因此,我們需要:效能優異的引擎+合適的車輪+正確的跑道。
 
3. Sapi
 
如前所述,Sapi通過通過一系列的介面,使得外部應用可以和PHP交換資料並可以根據不同應用特點實現特定的處理方法,我們常見的一些sapi有:

apache2handler:這是以apache作為webserver,採用mod_PHP模式運行時候的處理方式,也是現在應用最廣泛的一種。

cgi:這是webserver和PHP直接的另一種互動方式,也就是大名鼎鼎的fastcgi協議,在最近今年fastcgi+PHP得到越來越多的應用,也是非同步webserver所唯一支援的方式。

cli:命令列調用的應用模式
 
4. PHP的執行流程&opcode
 
我們先來看看PHP代碼的執行所經過的流程。

從圖上可以看到,PHP實現了一個典型的動態語言執行過程:拿到一段代碼後,經過詞法解析、文法解析等階段後,來源程式會被翻譯成一個個指令(opcodes),然後ZEND虛擬機器順次執行這些指令完成操作。PHP本身是用C實現的,因此最終調用的也都是C的函數,實際上,我們可以把PHP看 做是一個C開發的軟體。
 
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程式執行的最基本單位。一個opcode由兩個參數(op1,op2)、傳回值和處理函數組成。PHP程式最終被翻譯為一組opcode處理函數的順序執行。
 
常見的幾個處理函數:
 
(1) ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 變數分配 ($a=$b)
 
(2) ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER:函數調用
 
(3) ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER:字串拼接 $a.$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

5. HashTable — 核心資料結構
 
HashTable是zend的核心資料結構,在PHP裡面幾乎並用來實現所有常見功能,我們知道的PHP數組即是其典型應用,此外,在zend內部,如函數符號表、全域變數等也都是基於hash table來實現。
 
PHP的hash table具有如下特點:

支援典型的key->value查詢

可以當做數組使用

添加、刪除節點是O(1)複雜度

key支援混合類型:同時存在關聯陣列合索引數組

Value支援混合類型:array (“string”,2332)

支援線性遍曆:如foreach
 
Zend hash table實現了典型的hash表散列結構,同時通過附加一個雙向鏈表,提供了正向、反向遍曆數組的功能。其結構如下圖:

可以看到,在hash table中既有key->value形式的散列結構,也有雙向鏈表模式,使得它能夠非常方便的支援快速尋找和線性遍曆。

散列結構:Zend的散列結構是典型的hash表模型,通過鏈表的方式來解決衝突。需要注意的是zend的hash table是一個自增長的資料結構,當hash表數目滿了之後,其本身會動態以2倍的方式擴容並重新元素位置。初始大小均為8。另外,在進行key->value快速尋找時候,zend本身還做了一些最佳化,通過空間換時間的方式加快速度。比如在每個元素中都會用一個變數 nKeyLength標識key的長度以作快速判定。

雙向鏈表:Zend hash table通過一個鏈表結構,實現了元素的線性遍曆。理論上,做遍曆使用單向鏈表就夠了,之所以使用雙向鏈表,主要目的是為了快速刪除,避免遍曆。 Zend hash table是一種複合型的結構,作為數組使用時,即支援常見的關聯陣列也能夠作為順序索引數字來使用,甚至允許2者的混合。

PHP關聯陣列:關聯陣列是典型的hash_table應用。一次查詢過程經過如下幾步(從代碼可以看出,這是一個常見的hash查詢過程並增加一些快速判定加速尋找。
 
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:索引數組就是我們常見的數組,通過下標訪問。例如 $arr[0],Zend HashTable內部進行了歸一化處理,對於index類型key同樣分配了hash值和nKeyLength(為0)。內部成員變數 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才能夠實現關聯和非關聯的混合。由於push操作的特殊性,索引key在PHP數組中先後順序並不是通過下標大小來決定,而是由push的先後決定。例如 $arr[1] = 2; $arr[2] = 3;對於double類型的key,Zend HashTable會將他當做索引key處理。
 
6. PHP變數
 
PHP是一門弱類型語言,本身不嚴格區分變數的類型。PHP在變數申明的時候不需要指定類型。PHP在程式運行期間可能進行變數類型的隱示轉換。和其他強型別語言一樣,程式中也可以進行顯示的類型轉換。PHP變數可以分為簡單類型(int、string、bool)、集合類型(array resource object)和常量(const)。以上所有的變數在底層都是同一種結構 zval。
 
Zval是zend中另一個非常重要的資料結構,用來標識並實現PHP變數,其資料結構如下:

Zval主要由三部分組成:

type:指定了變數所述的類型(整數、字串、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,儲存了變數的實際資料
 
Zvalue是用來儲存一個變數的實際資料。因為要儲存多種類型,所以zvalue是一個union,也由此實現了弱類型。
 
PHP變數類型和其實際儲存對應關係如下:
 
IS_LONG   -> lvalue
 
IS_DOUBLE -> dvalue
 
IS_ARRAY  -> ht
 
IS_STRING -> str
 
IS_RESOURCE -> lvalue

引用計數在記憶體回收、字串操作等地方使用非常廣泛。PHP中的變數就是引用計數的典型應用。Zval的引用計數通過成員變數is_ref和ref_count實現,通過引用計數,多個變數可以共用同一份資料。避免頻繁拷貝帶來的大量消耗。
 
在進行賦值操作時,zend將變數指向相同的zval同時ref_count++,在unset操作時,對應的ref_count-1。只有ref_count減為0時才會真正執行銷毀操作。如果是引用賦值,則zend會修改is_ref為1。
 
PHP變數通過引用計數實現變數共用資料,那如果改變其中一個變數值呢?當試圖寫入一個變數時,Zend若發現該變數指向的zval被多個變數共用,則為其複製一份ref_count為1的zval,並遞減原zval的refcount,這個過程稱為“zval分離”。可見,只有在有寫操作發生時 zend才進行拷貝操作,因此也叫copy-on-write(寫時拷貝)
 
對於引用型變數,其要求和非引用型相反,引用賦值的變數間必須是捆綁的,修改一個變數就修改了所有捆綁變數。
 
整數、浮點數是PHP中的基礎類型之一,也是一個簡單型變數。對於整數和浮點數,在zvalue中直接儲存對應的值。其類型分別是long和double。
 
從zvalue結構中可以看出,對於整數類型,和c等強型別語言不同,PHP是不區分int、unsigned int、long、long long等類型的,對它來說,整數只有一種類型也就是long。由此,可以看出,在PHP裡面,整數的取值範圍是由編譯器位元來決定而不是固定不變的。
 
對於浮點數,類似整數,它也不區分float和double而是統一隻有double一種類型。
 
在PHP中,如果整數範圍越界了怎麼辦?這種情況下會自動轉換為double類型,這個一定要小心,很多trick都是由此產生。
 
和整數一樣,字元變數也是PHP中的基礎類型和簡單型變數。通過zvalue結構可以看出,在PHP中,字串是由由指向實際資料的指標和長度結 構體組成,這點和c++中的string比較類似。由於通過一個實際變數表示長度,和c不同,它的字串可以是2進位資料(包含\0),同時在PHP中, 求字串長度strlen是O(1)操作。
 
在新增、修改、追加字串操作時,PHP都會重新分配記憶體產生新的字串。最後,出於安全考慮,PHP在產生一個字串時末尾仍然會添加\0
 
常見的字串拼接方式及速度比較:
 
假設有如下4個變數:

$strA=‘123’; $strB = ‘456’; $intA=123; intB=456;
 
現在對如下的幾種字串拼接方式做一個比較和說明:
 
(1)$res = $strA.$strB 和 $res = “$strA$strB”
 
這種情況下,zend會重新malloc一塊記憶體並進行相應處理,其速度一般。
 
(2)$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。
 
(3)$res = $intA.$intB
 
這種速度較慢,因為需要做隱式的格式轉換,實際編寫程式中也應該注意盡量避免。
 
(4)$strA = sprintf (“%s%s”,$strA.$strB);
 
這會是最慢的一種方式,因為sprintf在PHP中並不是一個語言結構,本身對于格式識別和處理就需要耗費比較多時間,另外本身機制也是malloc。不過sprintf的方式最具可讀性,實際中可以根據具體情況靈活選擇。
 
PHP的數組通過Zend HashTable來天然實現。
 
foreach操作如何??對一個數組的foreach就是通過遍曆hashtable中的雙向鏈表完成。對於索引數組,通過foreach遍 曆效率比for高很多,省去了key->value的尋找。count操作直接調用 HashTable->NumOfElements,O(1)操作。對於’123’這樣的字串,zend會轉換為其整數形 式。$arr[‘123’]和$arr[123]是等價的。
 
資源類型變數是PHP中最複雜的一種變數,也是一種複合型結構。
 
PHP的zval可以表示廣泛的資料類型,但是對於自訂的資料類型卻很難充分描述。由於沒有有效方式描繪這些複合結構,因此也沒有辦法對它們使用傳統的操作符。要解決這個問題,只需要通過一個本質上任意的標識符(label)引用指標,這種方式被稱為資源。
 
在zval中,對於resource,lval作為指標來使用,直接指向資源所在的地址。Resource可以是任意的複合結構,我們熟悉的mysqli、fsock、memcached等都是資源。
 
如何使用資源:

註冊:對於一個自訂的資料類型,要想將它作為資源。首先需要進行註冊,zend會為它分配全域唯一標示。

擷取一個資源變數:對於資源,zend維護了一個id->實際資料的hash_tale。對於一個resource,在zval中只記錄了它的id。fetch的時候通過id在hash_table中找到具體的值返回。

資源銷毀:資源的資料類型是多種多樣的。Zend本身沒有辦法銷毀它。因此需要使用者在註冊資源的時候提供銷毀函數。當unset資源時,zend調用相應的函數完成析構。同時從全域資源表中刪除它。
 
資源可以長期駐留,不只是在所有引用它的變數超出範圍之後,甚至是在一個請求結束了並且新的請求產生之後。這些資源稱為持久資源,因為它們貫通SAPI的整個生命週期持續存在,除非特意銷毀。很多情況下,持久化資源可以在一定程度上提高效能。比如我們常見的mysql_pconnect ,持久化資源通過pemalloc分配記憶體,這樣在請求結束的時候不會釋放。 對zend來說,對兩者本身並不區分。
 
PHP中的局部變數和全域變數是如何?的?對於一個請求,任意時刻PHP都可以看到兩個符號表(symbol_table和active_symbol_table),其中前者用來維護全域變數。後者是一個指標,指向當前活動的變數符號表,當程式進入到某個函數中時,zend 就會為它分配一個符號表x同時將active_symbol_table指向a。通過這樣的方式實現全域、局部變數的區分。
 
擷取變數值:PHP的符號表是通過hash_table實現的,對於每個變數都分配唯一標識,擷取的時候根據標識從表中找到相應zval返回。
 
函數中使用全域變數:在函數中,我們可以通過顯式申明global來使用全域變數。在active_symbol_table中建立symbol_table中同名變數的引用,如果symbol_table中沒有同名變數則會先建立。



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