深入了解php底層機(jī)制

1、深入了解php底層機(jī)制作為一門動(dòng)態(tài)語(yǔ)言，php是如何實(shí)現(xiàn)的，其底層機(jī)制如何，具有什么樣的特點(diǎn)，本文深入淺出介紹了包括php設(shè)計(jì)理念、整體結(jié)構(gòu)、核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和變量在內(nèi)的相關(guān)底層知識(shí)，對(duì)我們更好的開(kāi)發(fā)php程序，優(yōu)化性能等有一定的指導(dǎo)意義。TAGPhp 底層機(jī)制 性能優(yōu)化目錄1、概述 1what is php?. 1了解它底層實(shí)現(xiàn)的目的?. 12、php的設(shè)計(jì)理念及特點(diǎn) 13、Php的四層體系 24、Sapi 35、Php的執(zhí)行流程&opcode. 56、HashTable  核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 67、Php變量 8概述 8Zval 9整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)類型變量 10字符串變量 10數(shù)組變量

2、 11資源類型變量 11Php變量的作用域 121、概述what is php?一種適用于web開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)語(yǔ)言。具體點(diǎn)說(shuō)：就是一個(gè)用c語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)包含大量組件的軟件框架。更狹義點(diǎn)看，可以把它認(rèn)為是一個(gè)強(qiáng)大的ui框架。了解它底層實(shí)現(xiàn)的目的?· 動(dòng)態(tài)語(yǔ)言要像用好首先得了解它· 內(nèi)存管理、框架模型值得我們借鑒· 通過(guò)擴(kuò)展開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)更多更強(qiáng)大的功能，優(yōu)化我們程序的性能 2、php的設(shè)計(jì)理念及特點(diǎn)· 多進(jìn)程模型由于php是多進(jìn)程模型，不同請(qǐng)求間互不干涉，這樣保證了一個(gè)請(qǐng)求掛掉不會(huì)對(duì)全盤服務(wù)造成影響，當(dāng)然，隨著時(shí)代發(fā)展，php也早已支持多線程模型。·

3、弱類型語(yǔ)言和c/c+、java、c#等語(yǔ)言不同，Php是一門弱類型語(yǔ)言：一個(gè)變量的類型并不是一開(kāi)始就確定不變，運(yùn)行中才會(huì)確定并可能發(fā)生隱式或顯式的類型轉(zhuǎn)換，這種機(jī)制的靈活性在web開(kāi)發(fā)中非常方便、高效，具體會(huì)在后面php變量中詳述。· 引擎(Zend)+組件(ext)的模式降低內(nèi)部耦合 · 中間層(sapi)隔絕web server和php · 語(yǔ)法簡(jiǎn)單靈活，沒(méi)有太多規(guī)范。（導(dǎo)致風(fēng)格混雜） · 再差的程序員也不會(huì)寫出太離譜危害全局的程序。 3、Php的四層體系Php的核心架構(gòu)如下圖圖1 php結(jié)構(gòu)從圖上可以看出，p

4、hp從下到上是一個(gè)4層體系· Zend引擎Zend整體用純c實(shí)現(xiàn)，是php的內(nèi)核部分，它將php代碼翻譯（詞法、語(yǔ)法解析等一系列編譯過(guò)程）為可執(zhí)行opcode的處理并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的處理方法、實(shí)現(xiàn)了基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如hashtable、oo）、內(nèi)存分配及管理、提供了相應(yīng)的api方法供外部調(diào)用，是一切的核心，所有的外圍功能均圍繞zend實(shí)現(xiàn)。· Extensions圍繞著zend引擎，extensions通過(guò)組件式的方式提供各種基礎(chǔ)服務(wù)，我們常見(jiàn)的各種內(nèi)置函數(shù)（如array系列）、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)等都是通過(guò)extension來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶也可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)自己的extension以達(dá)到功能擴(kuò)展

5、、性能優(yōu)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(yīng)用）。· SapiSapi全稱是Server Application Programming Interface，也就是服務(wù)端應(yīng)用編程接口，sapi通過(guò)一系列鉤子函數(shù)，使得php可以和外圍交互數(shù)據(jù)，這是php非常優(yōu)雅和成功的一個(gè)設(shè)計(jì)，通過(guò)sapi成功的將php本身和上層應(yīng)用解耦隔離，php可以不再考慮如何針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行兼容，而應(yīng)用本身也可以針對(duì)自己的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同的處理方式。后面將在sapi章節(jié)中介紹· 上層應(yīng)用這就是我們平時(shí)編寫的php程序，通過(guò)不同的sapi方式得到各種各樣的應(yīng)用模式

6、，如通過(guò)webserver實(shí)現(xiàn)web應(yīng)用、在命令行下以腳本方式運(yùn)行等等。如果php是一輛車，那么· 車的框架就是php本身· Zend是車的引擎（發(fā)動(dòng)機(jī)）· 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程序的執(zhí)行就是汽車跑在公路上。因此，我們需要：性能優(yōu)異的引擎+合適的車輪+正確的跑道4、Sapi如前所述，sapi通過(guò)通過(guò)一系列的接口，使得外部應(yīng)用可以和php交換數(shù)據(jù)并可以根據(jù)不同應(yīng)用特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)特定的處理方法，我們常見(jiàn)的一些sapi有：· apache2handler這是以apache作為we

7、bserver，采用mod_php模式運(yùn)行時(shí)候的處理方式，也是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的一種。· cgi這是webserver和php直接的另一種交互方式，也就是大名鼎鼎的fastcgi協(xié)議，在最近今年fastcgi+php得到越來(lái)越多的應(yīng)用，也是異步webserver所唯一支持的方式。關(guān)于fastcgi和mod_php，可以參見(jiàn)另外一篇文章php性能調(diào)研-mod_php vs fastcgi· cli命令行調(diào)用的應(yīng)用模式         Sapi的定義及主要接口函數(shù)如下圖圖2 Sapi協(xié)議這里介紹一下其

8、中一些主要函數(shù)· startup：php被調(diào)用時(shí)初始化操作比如cgi模式，在startup的時(shí)候會(huì)加載所有的extension并執(zhí)行模塊初始化工作。· shutdown：php關(guān)閉時(shí)收尾工作 · activate：請(qǐng)求初始化 · dectivate：請(qǐng)求結(jié)束時(shí)收尾工作 · ub_write：指定數(shù)據(jù)輸出方式比如apache2handler方式，由于php作為apache的一個(gè)so存在，因此其輸出也就是調(diào)用apache的ap_write函數(shù)，而在cgi模式下，會(huì)系統(tǒng)調(diào)用write。· sapi_error：

9、錯(cuò)誤處理函數(shù) · read_post：讀取post數(shù)據(jù) · register_server_variables：往$_SERVER中注冊(cè)環(huán)境變量這個(gè)一般根據(jù)不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)注冊(cè)注冊(cè)的變量。5、Php的執(zhí)行流程&opcode我們先來(lái)看看php代碼的執(zhí)行所經(jīng)過(guò)的流程。圖3 php代碼的執(zhí)行過(guò)程從圖上可以看到，php實(shí)現(xiàn)了一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)語(yǔ)言執(zhí)行過(guò)程：拿到一段代碼后，經(jīng)過(guò)詞法解析、語(yǔ)法解析等階段后，源程序會(huì)被翻譯成一個(gè)個(gè)指令(opcodes)，然后ZEND虛擬機(jī)順次執(zhí)行這些指令完成操作。Php本身是用c實(shí)現(xiàn)的，因此最終調(diào)用的也都是c的函數(shù)，實(shí)際上，我們可以把

10、php看做是一個(gè)c開(kāi)發(fā)的軟件。         通過(guò)上面描述不難看出，php的執(zhí)行的核心是翻譯出來(lái)的一條一條指令，也即opcodeu  opcodeOpcode是php程序執(zhí)行的最基本單位。一個(gè)opcode由兩個(gè)參數(shù)(op1,op2)、返回值和處理函數(shù)組成。Php程序最終被翻譯為一組opcode處理函數(shù)的順序執(zhí)行常見(jiàn)的幾個(gè)處理函數(shù)         ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 變量

11、分配 （$a=$b）         ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER：函數(shù)調(diào)用         ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER：字符串拼接 $a.$b         ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法運(yùn)算 $a+2   

12、60;     ZEND_IS_EQUAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 $a=1         ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 $a=16、HashTable  核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)HashTable是zend的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在php里面幾乎并用來(lái)實(shí)現(xiàn)所有常見(jiàn)功能，我們知道的php數(shù)組即是其典型應(yīng)用，此外，在zend內(nèi)部，如函數(shù)符號(hào)表、全局變量等也都是基于hash table來(lái)實(shí)現(xiàn)。   &

13、#160;     php的hash table具有如下特點(diǎn)：· 支持典型的key->value查詢· 可以當(dāng)做數(shù)組使用· 添加、刪除節(jié)點(diǎn)是O（1）復(fù)雜度· key支持混合類型：同時(shí)存在關(guān)聯(lián)數(shù)組合索引數(shù)組· Value支持混合類型：array (“string”,2332)· 支持線性遍歷：如foreach        Zend hash table實(shí)現(xiàn)了典型的hash表散列結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過(guò)附加一個(gè)雙向鏈表，提

14、供了正向、反向遍歷數(shù)組的功能。其結(jié)構(gòu)如下圖圖4 zend hash table數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以看到，在hash table中既有key->value形式的散列結(jié)構(gòu)，也有雙向鏈表模式，使得它能夠非常方便的支持快速查找和線性遍歷。· 散列結(jié)構(gòu)Zend的散列結(jié)構(gòu)是典型的hash表模型，通過(guò)鏈表的方式來(lái)解決沖突。需要注意的是zend的hash table是一個(gè)自增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)hash表數(shù)目滿了之后，其本身會(huì)動(dòng)態(tài)以2倍的方式擴(kuò)容并重新元素位置。初始大小均為8。另外，在進(jìn)行key->value快速查找時(shí)候，zend本身還做了一些優(yōu)化，通過(guò)空間換時(shí)間的方式加快速度。比如在每個(gè)元素中都會(huì)

15、用一個(gè)變量nKeyLength標(biāo)識(shí)key的長(zhǎng)度以作快速判定。· 雙向鏈表Zend hash table通過(guò)一個(gè)鏈表結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了元素的線性遍歷。理論上，做遍歷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，避免遍歷。         Zend hash table是一種復(fù)合型的結(jié)構(gòu)，作為數(shù)組使用時(shí)，即支持常見(jiàn)的關(guān)聯(lián)數(shù)組也能夠作為順序索引數(shù)字來(lái)使用，甚至允許2者的混合。· Php關(guān)聯(lián)數(shù)組關(guān)聯(lián)數(shù)組是典型的hash_table應(yīng)用。一次查詢過(guò)程經(jīng)過(guò)如下幾步  

16、0;       getKeyHashValue h;          index = n & nTableMask;          Bucket *p = arBucketindex;          while (p)   

17、60;           if (p->h = h) && (p->nKeyLength = nKeyLength)                  RETURN p->data;            

18、;                          p=p->next;    RETURN FALTURE;從代碼可以看出，這是一個(gè)常見(jiàn)的hash查詢過(guò)程并增加一些快速判定加速查找。· Php索引數(shù)組索引數(shù)組就是我們常見(jiàn)的數(shù)組，通過(guò)下標(biāo)訪問(wèn)。例如 $arr0Zend HashTable內(nèi)部進(jìn)行了歸一化處理，對(duì)于inde

19、x類型key同樣分配了hash值和nKeyLength(為0)。內(nèi)部成員變量nNextFreeElement就是當(dāng)前分配到的最大id，每次push后自動(dòng)加一。正是這種歸一化處理，php才能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)聯(lián)和非關(guān)聯(lián)的混合由于push操作的特殊性，索引key在php數(shù)組中先后順序并不是通過(guò)下標(biāo)大小來(lái)決定，而是由push的先后決定。例如 $arr1 = 2; $arr2 = 3;對(duì)于double類型的key，Zend HashTable會(huì)將他當(dāng)做索引key處理7、Php變量概述· Php是一門弱類型語(yǔ)言，本身不嚴(yán)格區(qū)分變量的類型。 · Php在變量申明的時(shí)候不需要指定類型。&

20、#160;· Php在程序運(yùn)行期間可能進(jìn)行變量類型的隱示轉(zhuǎn)換。 · 和其他強(qiáng)類型語(yǔ)言一樣，程序中也可以進(jìn)行顯示的類型轉(zhuǎn)換。 · Php變量可以分為簡(jiǎn)單類型(int、string、bool)、集合類型(array resource object)和常量(const) · 以上所有的變量在底層都是同一種結(jié)構(gòu) zvalZvalZval是zend中另一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來(lái)標(biāo)識(shí)并實(shí)現(xiàn)php變量，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下Zval主要由三部分組成：1、  type：指定了變量所述的類型（整數(shù)、字符串、數(shù)組等）2、  ref

21、count&is_ref：用來(lái)實(shí)現(xiàn)引用計(jì)數(shù)(后面具體介紹)3、  value：核心部分，存儲(chǔ)了變量的實(shí)際數(shù)據(jù)u  zvalueZvalue是用來(lái)保存一個(gè)變量的實(shí)際數(shù)據(jù)。因?yàn)橐鎯?chǔ)多種類型，所以zvalue是一個(gè)union，也由此實(shí)現(xiàn)了弱類型。Php變量類型和其實(shí)際存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)關(guān)系如下IS_LONG   -> lvalueIS_DOUBLE -> dvalueIS_ARRAY  -> htIS_STRING -> strIS_RESOURCE -> lvalueu  引用計(jì)數(shù)引用計(jì)數(shù)在內(nèi)存回收、字符串操

22、作等地方使用非常廣泛。Php中的變量就是引用計(jì)數(shù)的典型應(yīng)用Zval的引用計(jì)數(shù)通過(guò)成員變量is_ref和ref_count實(shí)現(xiàn)，通過(guò)引用計(jì)數(shù)，多個(gè)變量可以共享同一份數(shù)據(jù)。避免頻繁拷貝帶來(lái)的大量消耗在進(jìn)行賦值操作時(shí)，zend將變量指向相同的zval同時(shí)ref_count+，在unset操作時(shí)，對(duì)應(yīng)的ref_count-1。只有ref_count減為0時(shí)才會(huì)真正執(zhí)行銷毀操作如果是引用賦值，則zend會(huì)修改is_ref為1u  寫時(shí)拷貝Php變量通過(guò)引用計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)變量共享數(shù)據(jù)，那如果改變其中一個(gè)變量值呢？當(dāng)試圖寫入一個(gè)變量時(shí)，Zend若發(fā)現(xiàn)該變量指向的zval被多個(gè)變量共享，則為其復(fù)制一份re

23、f_count為1的zval，并遞減原zval的refcount，這個(gè)過(guò)程稱為“zval分離”。可見(jiàn)，只有在有寫操作發(fā)生時(shí)zend才進(jìn)行拷貝操作，因此也叫copy-on-write(寫時(shí)拷貝)對(duì)于引用型變量，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(gè)變量就修改了所有捆綁變量。整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)類型變量整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)是php中的基礎(chǔ)類型之一，也是一個(gè)簡(jiǎn)單型變量。對(duì)于整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)，在zvalue中直接存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的值。其類型分別是long和double。從zvalue結(jié)構(gòu)中可以看出，對(duì)于整數(shù)類型，和c等強(qiáng)類型語(yǔ)言不同，php是不區(qū)分int、unsigned int、long、long lon

24、g等類型的，對(duì)它來(lái)說(shuō)，整數(shù)只有一種類型也就是long。由此，可以看出，在php里面，整數(shù)的取值范圍是由編譯器位數(shù)來(lái)決定而不是固定不變的。對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)，類似整數(shù)，它也不區(qū)分float和double而是統(tǒng)一只有double一種類型。· 在php中，如果整數(shù)范圍越界了怎么辦？這種情況下會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為double類型，這個(gè)一定要小心，很多trick都是由此產(chǎn)生。字符串變量和整數(shù)一樣，字符變量也是php中的基礎(chǔ)類型和簡(jiǎn)單型變量通過(guò)zvalue結(jié)構(gòu)可以看出，在php中，字符串是由由指向?qū)嶋H數(shù)據(jù)的指針和長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)體組成，這點(diǎn)和c+中的string比較類似。由于通過(guò)一個(gè)實(shí)際變量表示長(zhǎng)度，和c不同，它的字符

25、串可以是2進(jìn)制數(shù)據(jù)（包含0），同時(shí)在php中，求字符串長(zhǎng)度strlen是O(1)操作。在新增、修改、追加字符串操作時(shí)，php都會(huì)重新分配內(nèi)存生成新的字符串。最后，出于安全考慮，php在生成一個(gè)字符串時(shí)末尾仍然會(huì)添加0· 常見(jiàn)的字符串拼接方式及速度比較假設(shè)有如下4個(gè)變量：$strA=123;  $strB = 456; $intA=123; intB=456;現(xiàn)在對(duì)如下的幾種字符串拼接方式做一個(gè)比較和說(shuō)明1、$res = $strA.$strB和$res = “$strA$strB”        

26、; 這種情況下，zend會(huì)重新malloc一塊內(nèi)存并進(jìn)行相應(yīng)處理，其速度一般2、$strA = $strA.$strB         這種是速度最快的，zend會(huì)在當(dāng)前strA基礎(chǔ)上直接relloc，避免重復(fù)拷貝3、$res = $intA.$intB這種速度較慢，因?yàn)樾枰鲭[式的格式轉(zhuǎn)換，實(shí)際編寫程序中也應(yīng)該注意盡量避免4、$strA = sprintf (“%s%s”,$strA.$strB);這會(huì)是最慢的一種方式，因?yàn)閟printf在php中并不是一個(gè)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，本身對(duì)于格式識(shí)別和處理就需要耗費(fèi)比較多時(shí)間，另

27、外本身機(jī)制也是malloc。不過(guò)sprintf的方式最具可讀性，實(shí)際中可以根據(jù)具體情況靈活選擇。數(shù)組變量如前所述，Php的數(shù)組通過(guò)Zend HashTable來(lái)天然實(shí)現(xiàn)· foreach操作如何實(shí)現(xiàn)？         對(duì)一個(gè)數(shù)組的foreach就是通過(guò)遍歷hashtable中的雙向鏈表完成。對(duì)于索引數(shù)組，通過(guò)foreach遍歷效率比f(wàn)or高很多，省去了key->value的查找Count操作直接調(diào)用HashTable->NumOfElements，O(1)操作對(duì)于123這樣的字符串，zend會(huì)

28、轉(zhuǎn)換為其整數(shù)形式。$arr123和$arr123是等價(jià)的資源類型變量         這是php中最復(fù)雜的一種變量，也是一種復(fù)合型結(jié)構(gòu)。Php的zval可以表示廣泛的數(shù)據(jù)類型，但是對(duì)于自定義的數(shù)據(jù)類型卻很難充分描述。由于沒(méi)有有效的方式描繪這些復(fù)合結(jié)構(gòu)，因此也沒(méi)有辦法對(duì)它們使用傳統(tǒng)的操作符。要解決這個(gè)問(wèn)題，只需要通過(guò)一個(gè)本質(zhì)上任意的標(biāo)識(shí)符（label）引用指針，這種方式被稱為資源。在zval中，對(duì)于resource，lval作為指針來(lái)使用，直接指向資源所在的地址。Resource可以是任意的復(fù)合結(jié)構(gòu)，我們熟悉的mysqli、fsock、memcached等都是資源。· 使用資源· 注冊(cè)對(duì)于一個(gè)自定義的數(shù)據(jù)類型，要想將它作為資源。首先需要進(jìn)行注冊(cè)，zend會(huì)為它分配全局唯一標(biāo)示· 獲取一個(gè)資源變