PHP底层的运行机制与原理

清兰绿水

PHP说简朴，但是要醒目也不是一件简朴的事。我们除了会利用之外，还得知道它底层的工作原理。
PHP是一种实用于web开辟的动态语言。详细点说，就是一个用C语言实现包罗大量组件的软件框架。更狭义点看，可以把它以为是一个强盛的UI框架。
相识PHP底层实现的目标是什么？动态语言要像用好起首得相识它，内存管理、框架模子值得我们鉴戒，通过扩展开辟实现更多更强盛的功能，优化我们步伐的性能。
1. PHP的计划理念及特点

• 多历程模子：由于PHP是多历程模子，差别哀求间互不干涉，如许包管了一个哀求挂掉不会对通盘服务造成影响。固然，随着期间发展，PHP也早已支持多线程模子。
  
• 弱范例语言：和C/C++、Java、C#等语言差别，PHP是一门弱范例语言。一个变量的范例并不是一开始就确定稳定，运行中才会确定并大概发生隐式或显式的范例转换，这种机制的机动性在web开辟中非常方便、高效，详细会在背面PHP变量中详述。
  
• 引擎(Zend)+组件(ext)的模式低落内部耦合。
  
• 中心层(sapi)隔绝web server和PHP。
  
• 语法简朴机动，没有太多规范。缺点导致风格稠浊，但再差的步伐员也不会写出太离谱危害全局的步伐。
  

2. PHP的四层体系

PHP的焦点架构如下图：

从图上可以看出，PHP从下到上是一个4层体系：

• Zend引擎：Zend团体用纯C实现，是PHP的内核部门，它将PHP代码翻译（词法、语法剖析等一系列编译过程）为可实行opcode处置惩罚，并实现相应的处置惩罚方法，实现了根本的数据布局（如hashtable、oo）、内存分配及管理、提供了相应的api方法供外部调用，是统统的焦点，全部的外围功能均围绕Zend实现。
  
• Extensions：围绕着Zend引擎，extensions通过组件式的方式提供各种底子服务，我们常见的各种内置函数（如array系列）、尺度库等都是通过extension来实现，用户也可以根据必要实现本身的extension以到达功能扩展、性能优化等目标（如贴吧正在利用的PHP中心层、富文本剖析就是extension的典范应用）。
  
• 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非常优雅和乐成的一个计划，通过sapi乐成的将PHP自己和上层应用解耦隔离，PHP可以不再思量怎样针对差别应用举行兼容，而应用自己也可以针对本身的特点实现差别的处置惩罚方式。
  
• Application：这就是我们平常编写的PHP步伐，通过差别的sapi方式得到各种各样的应用模式，如通过webserver实现web应用、在下令行下以脚本方式运行等等。
  

假如PHP是一辆车，那么车的框架就是PHP自己，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，车可以跑在差别范例的公路上，而一次PHP步伐的实行就是汽车跑在公路上。因此，我们必要：性能优秀的引擎+符合的车轮+精确的跑道。
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互换数据，并可以根据差别应用特点实现特定的处置惩罚方法，我们常见的一些sapi有：

• apache2handler：这是以apache作为webserver，接纳mod_PHP模式运行时间的处置惩罚方式。
  
• cgi：这是webserver和PHP直接的另一种交互方式，也就是台甫鼎鼎的fastcgi协议，在近来本年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：下令行调用的应用模式
  

4. PHP的实行流程&opcode

我们先来看看PHP代码的实行所颠末的流程。



从图上可以看到，PHP实现了一个典范的动态语言实行过程：拿到一段代码后，颠末词法剖析、语法剖析等阶段后，源步伐会被翻译成一个个指令(opcodes)，然后ZEND假造机顺次实行这些指令完成操纵。PHP自己是用C实现的，因此终极调用的也都是C的函数，现实上，我们可以把PHP看做是一个C开辟的软件。
PHP的实行的焦点是翻译出来的一条一条指令，也即opcode。
Opcode是PHP步伐实行的最根本单元。一个opcode由两个参数(op1,op2)、返回值和处置惩罚函数构成。PHP步伐终极被翻译为一组opcode处置惩罚函数的次序实行。
常见的几个处置惩罚函数：
ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 变量分配 （$a=$b）
ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER：函数调用
ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER：字符串拼接 $a.$b
ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法运算 $a+2
ZEND_IS_EQUAL_SPEC_CV_CONST：判定相称 $a==1
ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST：判定相称 $a===1
5. HashTable — 焦点数据布局

HashTable是Zend的焦点数据布局，在PHP内里险些并用来实现全部常见功能，我们知道的PHP数组便是其典范应用，别的，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：

• 支持典范的key->value查询
  
• 可以当做数组利用
  
• 添加、删除节点是 O(1) 复杂度
  
• key支持混淆范例：同时存在关联数组合索引数组
  
• Value支持混淆范例：array ("string", 2332)
  
• 支持线性遍历：如foreach
  

Zend hash table实现了典范的hash表散列布局，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。其布局如下图：



可以看到，在hash table中既有key->value情势的散列布局，也有双向链表模式，使得它可以或许非常方便的支持快速查找和线性遍历。

• 散列布局：Zend的散列布局是典范的hash表模子，通过链表的方式来办理辩论。必要留意的是zend的hash table是一个自增长的数据布局，当hash表数量满了之后，其自己会动态以2倍的方式扩容并重新元素位置。初始巨细均为8。别的，在举行key->value快速查找时间，zend自己还做了一些优化，通过空间换时间的方式加速速率。好比在每个元素中都会用一个变量nKeyLength标识key的长度以作快速判断。
  
• 双向链表：Zend hash table通过一个链表布局，实现了元素的线性遍历。理论上，做遍历利用单向链表就够了，之以是利用双向链表，重要目标是为了快速删除，制止遍历。Zend hash table是一种复合型的布局，作为数组利用时，即支持常见的关联数组也可以或许作为次序索引数字来利用，乃至答应2者的混淆。
  
• PHP关联数组：关联数组是典范的hash_table应用。一次查询过程颠末如下几步（从代码可以看出，这是一个常见的hash查询过程，并增长一些快速判断加快查找。）：
  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。比方 $arr[0]，Zend HashTable内部举行了归一化处置惩罚，对于index范例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后主动加一。正是这种归一化处置惩罚，PHP才气够实现关联和非关联的混淆。由于push操纵的特别性，索引key在PHP数组中先后次序并不是通过下标巨细来决定，而是由push的先后决定。比方 $arr[1] = 2; $arr[2] = 3; 对于double范例的key，Zend HashTable会将他当做索引key处置惩罚
  

6. PHP变量

PHP是一门弱范例语言，自己不严酷区分变量的范例。PHP在变量说明的时间不必要指定范例。PHP在步伐运行期间大概举行变量范例的隐示转换。和其他强范例语言一样，步伐中也可以举行表现的范例转换。PHP变量可以分为简朴范例(int、string、bool)、聚集范例(array resource object)和常量(const)。以上全部的变量在底层都是同一种布局 zval。
Zval是zend中另一个非常紧张的数据布局，用来标识并实现PHP变量，其数据布局如下：

Zval重要由三部门构成：

• type：指定了变量所述的范例（整数、字符串、数组等）
  
• refcount&is_ref：用来实现引用计数(背面详细先容)
  
• value：焦点部门，存储了变量的现实数据
  

Zvalue是用来生存一个变量的现实数据。由于要存储多种范例，以是zvalue是一个union，也由此实现了弱范例。
PHP变量范例和实在际存储对应关系如下：
IS_LONG   -> lvalueIS_DOUBLE -> dvalueIS_ARRAY  -> htIS_STRING -> strIS_RESOURCE -> lvalue引用计数

引用计数在内存接纳、字符串操纵等地方利用非常广泛。PHP中的变量就是引用计数的典范应用。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。制止频仍拷贝带来的大量斲丧。
在举行赋值操纵时，zend将变量指向雷同的zval同时ref_count++，在unset操纵时，对应的ref_count-1。只有ref_count减为0时才会真正实行烧毁操纵。假如是引用赋值，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，那假如改变此中一个变量值呢？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，只有在有写操纵发生时zend才举行拷贝操纵，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全部捆绑变量。


整数和浮点数

整数、浮点数是PHP中的底子范例之一，也是一个简朴型变量。对于整数和浮点数，在zvalue中直接存储对应的值。其范例分别是long和double。
从zvalue布局中可以看出，对于整数范例，和c等强范例语言差别，PHP是不区分int、unsigned int、long、long long等范例的，对它来说，整数只有一种范例也就是long。由此，可以看出，在PHP内里，整数的取值范围是由编译器位数来决定而不是固定稳定的。
对于浮点数，雷同整数，它也不区分float和double而是同一只有double一种范例。
在PHP中，假如整数范围越界了怎么办？这种环境下会主动转换为double范例，这个肯定要警惕，许多trick都是由此产生。
字符和字符串

和整数一样，字符变量也是PHP中的底子范例和简朴型变量。通过zvalue布局可以看出，在PHP中，字符串是由由指向现实数据的指针和长度布局体构成，这点和c++中的string比力雷同。由于通过一个现实变量表现长度，和c差别，它的字符串可以是2进制数据（包罗\0），同时在PHP中，求字符串长度strlen是O(1)操纵。
在新增、修改、追加字符串操纵时，PHP都会重新分配内存天生新的字符串。末了，出于安全思量，PHP在天生一个字符串时末端仍旧会添加\0。
常见的字符串拼接方式及速率比力：
假设有如下4个变量：
$strA = '123';
$strB = '456';
$intA = 123;
$intB = 456;如今对如下的几种字符串拼接方式做一个比力和阐明：
// 下面两张环境，zend会重新malloc一块内存并举行相应处置惩罚，其速率一样平常$res = $strA . $strB$res = "$strA$strB"
// 这种是速率最快的，zend会在当前strA底子上直接relloc，制止重复拷贝$strA = $strA . $strB// 这种速率较慢，由于必要做隐式的格式转换，现实编写步伐中也应该留意只管制止$res = $intA . $intB// 这会是最慢的一种方式，由于sprintf在PHP中并不是一个语言布局，// 自己对于格式辨认和处置惩罚就必要泯灭比力多时间，别的自己机制也是malloc。// 不外sprintf的方式最具可读性，现实中可以根据详细环境机动选择。$strA = sprintf ("%s%s", $strA . $strB);数组

PHP的数组通过Zend HashTable来自然实现。
foreach操纵怎样实现？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遍历服从比for高许多，省去了key->value的查找。count操纵直接调用HashTable->NumOfElements，O(1)操纵。对于 '123' 如许的字符串，zend会转换为其整数情势。$arr['123']和$arr[123]是等价的。
资源

资源范例变量是PHP中最复杂的一种变量，也是一种复合型布局。
PHP的zval可以表现广泛的数据范例，但是对于自界说的数据范例却很难充实形貌。由于没有有用的方式刻画这些复合布局，因此也没有办法对它们利用传统的操纵符。要办理这个题目，只必要通过一个本质上恣意的标识符（label）引用指针，这种方式被称为资源。
在zval中，对于resource，lval作为指针来利用，直接指向资源地点的地点。Resource可以是恣意的复合布局，我们认识的mysqli、fsock、memcached等都是资源。
怎样利用资源：

• 注册：对于一个自界说的数据范例，要想将它作为资源。起首必要举行注册，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->现实数据的hash_tale。对于一个resource，在zval中只记载了它的id。fetch的时间通过id在hash_table中找到详细的值返回。
  
• 资源烧毁：资源的数据范例是多种多样的。Zend自己没有办法烧毁它。因此必要用户在注册资源的时间提供烧毁函数。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。
  

资源可以恒久驻留，不但是在全部引用它的变量超出作用域之后，乃至是在一个哀求竣事了而且新的哀求产生之后。这些资源称为长期资源，由于它们贯通SAPI的整个生命周期连续存在，除非特意烧毁。许多环境下，长期化资源可以在肯定水平上进步性能。好比我们常见的mysql_pconnect ,长期化资源通过pemalloc分配内存，如许在哀求竣事的时间不会开释。 对zend来说，对两者自己并不区分。
变量作用域

PHP中的局部变量和全局变量是怎样实现的？对于一个哀求，恣意时候PHP都可以看到两个符号表(symbol_table和active_symbol_table)，此中前者用来维护全局变量。后者是一个指针，指向当前运动的变量符号表，当步伐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。通过如许的方式实现全局、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，获取的时间根据标识从表中找到相应zval返回。
函数中利用全局变量：在函数中，我们可以通过显式说明global来利用全局变量。在active_symbol_table中创建symbol_table中同名变量的引用，假如symbol_table中没有同名变量则会先创建。

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