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1. Opcode簡介 2. PHP中的Opcode 3. opcode翻譯執行(即時解釋執行)
1. Opcode簡介
opcode是計算機指令中的一部分，用於指定要執行的操作， 指令的格式和規範由處理器的指令規範指定。 除了指令本身以外通常還有指令所需要的操作數，可能有的指令不需要顯式的操作數。 這些操作數可能是寄存器中的值，堆棧中的值，某塊內存的值或者IO端口中的值等等
通常opcode還有另一種稱謂: 字節碼(byte codes)。 例如Java虛擬機(JVM)，.NET的通用中間語言(CIL: Common Intermeditate Language)等等
PHP中的opcode則屬於前面介紹中的後着，PHP是構建在Zend虛擬機(Zend VM)之上的。PHP的opcode就是Zend虛擬機中的指令(基於Zend的中間代碼)
Relevant Link:
http://www.luocong.com/learningopcode/doc/1._%E4%BB%80%E4%B9%88%E6%98%AFOpCode%EF%BC%9F.htm
2. PHP中的Opcode
0x1: 數據結構
在PHP實現內部，opcode由如下的結構體表示
\php-5.6.17\Zend\zend_compile.h
struct _zend_op
{
opcode_handler_t handler; // 執行該opcode時調用的處理函數
znode_op op1; // opcode所操作的操作數
znode_op op2; // opcode所操作的操作數
znode_op result;
ulong extended_value;
uint lineno;
zend_uchar opcode; // opcode代碼
zend_uchar op1_type;
zend_uchar op2_type;
zend_uchar result_type;
};
和CPU的指令類似，有一個標示指令的opcode字段，以及這個opcode所操作的操作數，PHP不像彙編那麼底層， 在腳本實際執行的時候可能還需要其他更多的信息，extended_value字段就保存了這類信息， 其中的result域則是保存該指令執行完成後的結果
例如如下代碼是在編譯器遇到print語句的時候進行編譯的函數
\php-5.6.17\Zend\zend_compile.c
void zend_do_print(znode *result, const znode *arg TSRMLS_DC) /* {{{ */
{
//新創建一條zend_op
zend_op *opline = get_next_op(CG(active_op_array) TSRMLS_CC);
//將新建的zend_op的返回值類型設置爲臨時變量(IS_TMP_VAR)，因爲print中的內存僅僅爲了臨時輸出，並不需要保存
opline->result_type = IS_TMP_VAR;
//爲臨時變量申請空間
opline->result.var = get_temporary_variable(CG(active_op_array));
//指定opcode爲ZEND_PRINT
opline->opcode = ZEND_PRINT;
//將傳遞進來的參數賦值給這條opcode的第一個操作數
SET_NODE(opline->op1, arg);
SET_UNUSED(opline->op2);
GET_NODE(result, opline->result);
}
0x2: opcode類型: zend_op->zend_uchar opcode
比對彙編語言的概念，每個opcode都對應於一個類型，表明該opcpde的"操作指令"，opcode的類型爲zend_uchar，zend_uchar實際上就是unsigned char，此字段保存的整形值即爲op的編號，用來區分不同的op類型，opcode的可取值都被定義成了宏
/Zend/zend_vm_opcodes.h
#define ZEND_NOP 0 #define ZEND_ADD 1 #define ZEND_SUB 2 #define ZEND_MUL 3 #define ZEND_DIV 4 #define ZEND_MOD 5 #define ZEND_SL 6 #define ZEND_SR 7 #define ZEND_CONCAT 8 #define ZEND_BW_OR 9 #define ZEND_BW_AND 10 #define ZEND_BW_XOR 11 #define ZEND_BW_NOT 12 #define ZEND_BOOL_NOT 13 #define ZEND_BOOL_XOR 14 #define ZEND_IS_IDENTICAL 15 #define ZEND_IS_NOT_IDENTICAL 16 #define ZEND_IS_EQUAL 17 #define ZEND_IS_NOT_EQUAL 18 #define ZEND_IS_SMALLER 19 #define ZEND_IS_SMALLER_OR_EQUAL 20 #define ZEND_CAST 21 #define ZEND_QM_ASSIGN 22 #define ZEND_ASSIGN_ADD 23 #define ZEND_ASSIGN_SUB 24 #define ZEND_ASSIGN_MUL 25 #define ZEND_ASSIGN_DIV 26 #define ZEND_ASSIGN_MOD 27 #define ZEND_ASSIGN_SL 28 #define ZEND_ASSIGN_SR 29 #define ZEND_ASSIGN_CONCAT 30 #define ZEND_ASSIGN_BW_OR 31 #define ZEND_ASSIGN_BW_AND 32 #define ZEND_ASSIGN_BW_XOR 33 #define ZEND_PRE_INC 34 #define ZEND_PRE_DEC 35 #define ZEND_POST_INC 36 #define ZEND_POST_DEC 37 #define ZEND_ASSIGN 38 #define ZEND_ASSIGN_REF 39 #define ZEND_ECHO 40 #define ZEND_PRINT 41 #define ZEND_JMP 42 #define ZEND_JMPZ 43 #define ZEND_JMPNZ 44 #define ZEND_JMPZNZ 45 #define ZEND_JMPZ_EX 46 #define ZEND_JMPNZ_EX 47 #define ZEND_CASE 48 #define ZEND_SWITCH_FREE 49 #define ZEND_BRK 50 #define ZEND_CONT 51 #define ZEND_BOOL 52 #define ZEND_INIT_STRING 53 #define ZEND_ADD_CHAR 54 #define ZEND_ADD_STRING 55 #define ZEND_ADD_VAR 56 #define ZEND_BEGIN_SILENCE 57 #define ZEND_END_SILENCE 58 #define ZEND_INIT_FCALL_BY_NAME 59 #define ZEND_DO_FCALL 60 #define ZEND_DO_FCALL_BY_NAME 61 #define ZEND_RETURN 62 #define ZEND_RECV 63 #define ZEND_RECV_INIT 64 #define ZEND_SEND_VAL 65 #define ZEND_SEND_VAR 66 #define ZEND_SEND_REF 67 #define ZEND_NEW 68 #define ZEND_INIT_NS_FCALL_BY_NAME 69 #define ZEND_FREE 70 #define ZEND_INIT_ARRAY 71 #define ZEND_ADD_ARRAY_ELEMENT 72 #define ZEND_INCLUDE_OR_EVAL 73 #define ZEND_UNSET_VAR 74 #define ZEND_UNSET_DIM 75 #define ZEND_UNSET_OBJ 76 #define ZEND_FE_RESET 77 #define ZEND_FE_FETCH 78 #define ZEND_EXIT 79 #define ZEND_FETCH_R 80 #define ZEND_FETCH_DIM_R 81 #define ZEND_FETCH_OBJ_R 82 #define ZEND_FETCH_W 83 #define ZEND_FETCH_DIM_W 84 #define ZEND_FETCH_OBJ_W 85 #define ZEND_FETCH_RW 86 #define ZEND_FETCH_DIM_RW 87 #define ZEND_FETCH_OBJ_RW 88 #define ZEND_FETCH_IS 89 #define ZEND_FETCH_DIM_IS 90 #define ZEND_FETCH_OBJ_IS 91 #define ZEND_FETCH_FUNC_ARG 92 #define ZEND_FETCH_DIM_FUNC_ARG 93 #define ZEND_FETCH_OBJ_FUNC_ARG 94 #define ZEND_FETCH_UNSET 95 #define ZEND_FETCH_DIM_UNSET 96 #define ZEND_FETCH_OBJ_UNSET 97 #define ZEND_FETCH_DIM_TMP_VAR 98 #define ZEND_FETCH_CONSTANT 99 #define ZEND_GOTO 100 #define ZEND_EXT_STMT 101 #define ZEND_EXT_FCALL_BEGIN 102 #define ZEND_EXT_FCALL_END 103 #define ZEND_EXT_NOP 104 #define ZEND_TICKS 105 #define ZEND_SEND_VAR_NO_REF 106 #define ZEND_CATCH 107 #define ZEND_THROW 108 #define ZEND_FETCH_CLASS 109 #define ZEND_CLONE 110 #define ZEND_RETURN_BY_REF 111 #define ZEND_INIT_METHOD_CALL 112 #define ZEND_INIT_STATIC_METHOD_CALL 113 #define ZEND_ISSET_ISEMPTY_VAR 114 #define ZEND_ISSET_ISEMPTY_DIM_OBJ 115 #define ZEND_PRE_INC_OBJ 132 #define ZEND_PRE_DEC_OBJ 133 #define ZEND_POST_INC_OBJ 134 #define ZEND_POST_DEC_OBJ 135 #define ZEND_ASSIGN_OBJ 136 #define ZEND_INSTANCEOF 138 #define ZEND_DECLARE_CLASS 139 #define ZEND_DECLARE_INHERITED_CLASS 140 #define ZEND_DECLARE_FUNCTION 141 #define ZEND_RAISE_ABSTRACT_ERROR 142 #define ZEND_DECLARE_CONST 143 #define ZEND_ADD_INTERFACE 144 #define ZEND_DECLARE_INHERITED_CLASS_DELAYED 145 #define ZEND_VERIFY_ABSTRACT_CLASS 146 #define ZEND_ASSIGN_DIM 147 #define ZEND_ISSET_ISEMPTY_PROP_OBJ 148 #define ZEND_HANDLE_EXCEPTION 149 #define ZEND_USER_OPCODE 150 #define ZEND_JMP_SET 152 #define ZEND_DECLARE_LAMBDA_FUNCTION 153 #define ZEND_ADD_TRAIT 154 #define ZEND_BIND_TRAITS 155 #define ZEND_SEPARATE 156 #define ZEND_QM_ASSIGN_VAR 157 #define ZEND_JMP_SET_VAR 158 #define ZEND_DISCARD_EXCEPTION 159 #define ZEND_YIELD 160 #define ZEND_GENERATOR_RETURN 161 #define ZEND_FAST_CALL 162 #define ZEND_FAST_RET 163 #define ZEND_RECV_VARIADIC 164 #define ZEND_SEND_UNPACK 165 #define ZEND_POW 166 #define ZEND_ASSIGN_POW 167
0x3: opcode執行句柄: zend_op->handler
op的執行句柄，其類型爲opcode_handler_t
typedef int (ZEND_FASTCALL *opcode_handler_t) (ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS);
這個函數指針爲op定義了執行方式，每一種opcode字段都對應一個種類的handler，比如如果$a = 1;這樣的代碼生成的op，操作數爲const和cv，最後就能確定handler爲函數ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_HANDLER
/Zend/zend_vm_execute.h
void zend_init_opcodes_handlers(void)
{
static const opcode_handler_t labels[] = {
..
ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_HANDLER,
..
}
}
0x4: opcpde操作數znode
操作數字段是_zend_op類型中比較重要的部分了，其中op1,op2,result三個操作數定義爲znode類型
\php-5.6.17\Zend\zend_compile.h
typedef struct _znode { /* used only during compilation */
/*
這個int類型的字段定義znode操作數的類型
#define IS_CONST (1<<0) //表示常量，例如$a = 123; $b = "hello";這些代碼生成OP後，123和"hello"都是以常量類型操作數存在
#define IS_TMP_VAR (1<<1) //表示臨時變量，臨時變量一般在前面加~來表示，這是一些OP執行過程中需要用到的中間變量，例如初始化一個數組的時候，就需要一個臨時變量來暫時存儲數組zval，然後將數組賦值給變量
#define IS_VAR (1<<2) //一般意義上的變量，以$開發表示
#define IS_UNUSED (1<<3) // Unused variable
#define IS_CV (1<<4) // Compiled variable，這種類型的操作數比較重要，此類型是在PHP後來的版本中(大概5.1)中才出現，CV的意思是compiled variable，即編譯後的變量，變量都是保存在一個符號表中，這個符號表是一個哈希表，如果每次讀寫變量的時候都需要到哈希表中去檢索，會對效率有一定的影響，因此在執行上下文環境中，會將一些編譯期間生成的變量緩存起來。此類型操作數一般以!開頭表示，比如變量$a=123;$b="hello"這段代碼，$a和$b對應的操作數可能就是!0和!1, 0和1相當於一個索引號，通過索引號從緩存中取得相應的值
*/
int op_type;
/*
此字段爲一個聯合體，根據op_type的不同，u取不同的值
1. op_type=IS_CONST的時候，u中的constant保存的就是操作數對應的zval結構
2. 例如$a=123時，123這個操作數中，u中的constant是一個IS_LONG類型的zval,其值lval爲123
*/
union {
znode_op op;
zval constant; /* replaced by literal/zv */
zend_op_array *op_array;
zend_ast *ast;
} u;
zend_uint EA; /* extended attributes */
} znode;
0x5: opcode編譯後數組op_array
在zend_do_print函數中的第一行，我們注意到下面這行代碼
zend_op *opline = get_next_op(CG(active_op_array) TSRMLS_CC);
PHP腳本代碼被編譯後產生的opcode保存在op_array中，其內部存儲的結構如下
\php-5.6.17\Zend\zend_compile.h
struct _zend_op_array
{
/* Common elements */
zend_uchar type;
const char *function_name; // 如果是用戶定義的函數則，這裏將保存函數的名字
zend_class_entry *scope;
zend_uint fn_flags;
union _zend_function *prototype;
zend_uint num_args;
zend_uint required_num_args;
zend_arg_info *arg_info;
/* END of common elements */
zend_uint *refcount;
zend_op *opcodes; // opcode數組
zend_uint last;
zend_compiled_variable *vars;
int last_var;
zend_uint T;
zend_uint nested_calls;
zend_uint used_stack;
zend_brk_cont_element *brk_cont_array;
int last_brk_cont;
zend_try_catch_element *try_catch_array;
int last_try_catch;
zend_bool has_finally_block;
/* static variables support */
HashTable *static_variables;
zend_uint this_var;
const char *filename;
zend_uint line_start;
zend_uint line_end;
const char *doc_comment;
zend_uint doc_comment_len;
zend_uint early_binding; /* the linked list of delayed declarations */
zend_literal *literals;
int last_literal;
void **run_time_cache;
int last_cache_slot;
void *reserved[ZEND_MAX_RESERVED_RESOURCES];
};
整個PHP腳本代碼被編譯後的opcodes保存在這裏，這裏需要明白的是，並非全部的PHP用戶態代碼都能在編譯compile時期被翻譯過來，因爲本質上PHP是一種即時編譯執行的腳本語言，有很多代碼是在運行時run-time時期被動態地進行翻譯併產生對應的opcode，例如lambda-function、var變量函數。所以本質上來說，PHP的opcode翻譯可能是一個遞歸的過程
在執行的時候由下面的execute函數執行
ZEND_API void execute(zend_op_array *op_array TSRMLS_DC)
{
// ... 循環執行op_array中的opcode或者執行其他op_array中的opcode
}
每條opcode都有一個opcode_handler_t的函數指針字段，用於執行該opcode，PHP有三種方式來進行opcode的處理
1. CALL: PHP默認使用CALL的方式，也就是函數調用的方式 2. SWITCH: 由於opcode執行是每個PHP程序頻繁需要進行的操作，可以使用SWITCH或者GOTO的方式來分發 3. GOTO: 通常GOTO的效率相對會高一些，不過效率是否提高依賴於不同的CPU
實際上我們會發現，在/zend/zend_language_parser.c中就是Zend的opcode翻譯解釋執行過程，其中包含了call、switch、goto三種opcode執行方式
這就是PHP爲什麼稱之爲解釋型語言的內核原理，PHP在完成Lex詞法解析後，在語法解析即生成產生式的時候，直接通過call、switch、goto的方式調用zend api進行即使解釋執行
Relevant Link:
http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/1325 http://php.net/manual/zh/internals2.opcodes.list.php http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/1543 http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/1324 http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/1543 http://www.laruence.com/2008/06/18/221.html http://www.php-internals.com/book/?p=chapt02/02-03-02-opcode
3. opcode翻譯執行(即時解釋執行)
Relevant Link:
http://www.php-internals.com/book/?p=chapt02/02-03-03-from-opcode-to-handler