深入了解php-底層機(jī)制

1、深入了解php底層機(jī)制(-)洪定坤摘要作為一門動(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1whatisphp?1了解它底層實(shí)現(xiàn)的目的？22、php的設(shè)計(jì)理念及特點(diǎn)23、Php的四層體系24、Sapi45、Php的執(zhí)行流程&opcode66、HashTable-核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)77、Php變量9概述9Zval10整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)類型變量11字符串變量11數(shù)組變量12資源類型變量12Php變量的作

2、用域131、概述whatisphp?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。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

3、可能發(fā)生隱式或顯式的類型轉(zhuǎn)換，這種機(jī)制的靈活T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webserver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Applicationapachehthttpd,cliaelc.)SAPIkseeChap23+PHPAPI!streams,outpu!,etc.)(seeChap22PHPExtensionsmysqi.standardlibrary,etc.)Chap22)

4、tloiularCadeZendAPIZedEixiensionAPI(st&Chap23jZridEngirt圖1php結(jié)構(gòu)從圖上可以看出，php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)

5、（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、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ServerApplicationProgrammingInterface,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成功白將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)

6、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，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：apache2handle

7、r這是以apache作為webserver,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_phpvsfastcgi»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struct_sapi_modLile_sjtruetLIidr%Hut?jchar>kpretty_name;ii

8、it(Ldr'Lup)(&Li'Ln_L_sdpi_rncicJiJilt?_S5Li'LlL+sdpi_rrudiJile)jint(*shutdown)Cstruct_sapi_(inoclule_structsapi_-moclule);int(>wjctivote)(T£RMLS_D);int(*deactivate)(TSRMLS_D);int(ub-write)(const匚Hqf+日tr,unsigredirtstr_l?ngthTSRMLS_DC);void(-Flush)(voidserer.ccaitextjstructsta

9、t*(*get_stat)(TSRh<LS_U);匚hmr*日nt.nu)(匚hm案sie_tnARit?_1rfiTSRMLE_DC);voidf*sapi_erTor)typeTconstchar*errcjr_nisgT.);int(*he=der_.handlsr')(G=pi_hc3derm£'tr'iJict.占mpi_h口菖。曰int(serd_lnaders)(sapl_ht?adeF-'s_rstruct*sdpi_hec；dersTSRMLS_DC);voic(send_header)(sapi-heacer-Struct.s

10、api_heacier,.oici*臺(tái)U/白戶_2口。int(>nreacl_po=t)(ckai-*burrer,minttount-butes7SRML!=_EC)jcnar*>read_cookies)(TSRMLS.D);void(*rcgis,tc!r_eorvDr_'variables)(zval*track_var9_arrayT£RMLS_DC);void(*log_messdge)(chair1+.message);time.t(>fg?t_reque5t_tirre)(TSRMLS._D);charphpini_path_cverride

11、vair|(xhlDC?k_iri't'Pir'ruptinn)(.niri)void(*unblocl<_interruptions)(voio)才void(defaultpostreatJer)(TSRMLSD);void(*-treat_data)(int5rg,charptzvaldestAirpyTSRHLSrOC)lhdr水ekeuli二mbl曰_1口匚atiqri；intphp_ini_ignore;Int(>Kget_cl)(int期fdTSRMLSDC);圖2Sapi協(xié)議這里介紹一下其中一些主要函數(shù)startup:php被調(diào)用時(shí)初始化操作比

12、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:錯(cuò)誤處理函數(shù)read_post:讀取post數(shù)據(jù)register_server_variables:往$_$£可£碑注冊(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)

13、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3php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opcodeopcodeOpcode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

14、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_HANDLE變量分配（$a=$b）ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER數(shù)調(diào)用ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER符串拼接$a.$bZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER：法運(yùn)算$a+2ZEND_IS_EQUAL_SPEC_CV_CONS判斷相等$a=1ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST斷相等$a=16、HashTable-核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)HashTable

15、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hashtable來(lái)實(shí)現(xiàn)。php的hashtable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foreachZendhashtable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，提供了正向、反向遍歷數(shù)組的功能。其結(jié)構(gòu)如下圖nNumOf

16、ElementsnTableSizeHsisht的兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖4zendhashtable數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以看到，在hashtable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hashtable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)用一

17、個(gè)變量nKeyLength標(biāo)識(shí)key的長(zhǎng)度以作快速判雙向鏈表Zendhashtable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。Zendhashtable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getKeyHashValueh;index=n&nTableMask;Bucket*p=arBucketindex;while(p)if(p->h=h)&am

18、p;&(p->nKeyLength=nKeyLength)RETURNp->data;p=p->next;RETURNFALTURE;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$arr0ZendHashTable內(nèi)部進(jìn)行了歸一化處理，對(duì)于index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

19、，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,ZendHashTable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。?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(arrayresourceobject)和常量(const)?以上所有的變量在底層都是同一種結(jié)構(gòu)zva

20、lZvalZval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typedefunion_zvalue_valuelongIval;/*longvalue*/doubledval；/4doublevalue+/structchar+val;intlen;str;心stringvalueHashTable*ht;/T卜ev-；Lue*/zend_object_valueobj;zvaluevalue;structzvalstruct/*Variableinformationzvaluevaluevalue;/*value*/zenduintrefcount;zen

21、d_uchartype;/*activetypoyzenducharisref;；typedefstruct_zval_structzval;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、refcount&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)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_AR

22、RAY->htIS_STRING->strIS_RESOURCE->lvalue引用計(jì)數(shù)引用計(jì)數(shù)在內(nèi)存回收、字符串操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1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)，

23、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ref_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10ng和double。從zvalue結(jié)構(gòu)中可

24、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、unsignedint、long、long10ng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

25、長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)體組成，這點(diǎn)和c+中白sstring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'$intA=O3|56;現(xiàn)在對(duì)如下的幾種字符串拼接方式做一個(gè)比較和說(shuō)明1、$res=$strA.$strB和$res=$strA$strB”這種情況下，zend會(huì)重

26、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、$strA=sprintf("%s%,$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)Ze

27、ndHashTable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操作對(duì)于123'這樣的字符串，zend會(huì)轉(zhuǎn)換為其整數(shù)形式。$arr'123'和$2巾23是等價(jià)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zv