PHP運行原理

PHP簡介：PHP是一種適用於web開發的動態腳本語言（網頁快捷開發），是用純C語言實現的。我們可以認爲PHP就是一個用C語言實現包含大量組件的軟件框架。更狹義一點可以認爲是一個功能強大的UI框架。

PHP的設計理念及特點

多進程模型：PHP採用多進程模型，不同請求之間互不干涉，保證了一個請求掛掉不會對其它請求和服務造成影響。當然，PHP目前已支持多線程模型；
弱類型語言：PHP是一門弱類型語言，變量的類型在定義時是不需要給定的，會在運行中根據變量的值發生隱式或是顯式的類型轉換，這種機制的靈活性在web開發中非常方便、高效；
PHP通過引擎（zend）+組件（extension）的模式來降低內部耦合；
中間層（sapi）隔絕web server 與 PHP；
語法簡單靈活，沒有太多的規範，當容易導致代碼風格的混亂。

PHP的四層架構（如下圖）

Zend引擎：也可以稱之爲Zend軟件虛擬機，用於翻譯執行PHP代碼。Zend整體用純C實現，是PHP的內核部分，它將PHP代碼翻譯（詞法、語法解析等一系列編譯過程）爲可執行opcode代碼，並實現相應的處理方法、實現了基本的數據結構（主要的數據結構是hashtable）、內存分配及管理、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。
- Opcode：是一種PHP腳本編譯後的中間語言，是PHP最終真正執行的代碼，類似於java中的字節碼（ByteCode）執行一段PHP代碼會有如下四個步驟：
  - 將PHP代碼轉換爲語言片段(Tokens)；
  - 將Tokens轉換成簡單而有意義的表達式；
  - 將表達式編譯成Opocde；
  - 順次執行Opcodes，每次一條，從而實現PHP腳本的功能。
- 由上可知，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、語法解析等階段後，源程序會被翻譯成一個個指令 (opcode)，然後Zend虛擬機順次執行這些指令完成操作。另外，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開發的軟件。PHP的執行的核心是翻譯出來的一條一條指令，即opcode。
- 補充：現在有的Cache比如APC，可以使得PHP緩存住Opcodes，這樣，每次有請求來臨的時候，就不需要重複執行前面3步，從而能大幅的提高PHP的執行速度。
Extensions：圍繞着Zend引擎，extensions通過組件式的方式提供各種基礎服務，我們常見的各種內置函數（如array 系列）、標準庫等都是通過extension來實現，用戶也可以根據需要實現自己的extension以達到功能擴展、性能優化等目的（如PHP中間層、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接口，Sapi通過一系列鉤子函數，使得PHP可以和外圍交互數據，這是PHP非常優越和成功的一個設計，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兼容，而應用本身也可以針對自己的特點實現不同的處理方式。
- Sapi通過一系列的接口，使得外部應用可以和PHP交換數據並可以根據不同應用的特性實現特定的處理方法，我們常見的一些sapi有：
  - apache2handler：這是以apache作爲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直接的另一種交互方式，也就是大名鼎鼎的fastcgi協議，在最近幾年fastcgi+PHP得到越來越多的應用，也是異步webserver所唯一支持的方式。
  - cli：命令行調用的應用模式
上層應用：這就是我們平時編寫的PHP腳本程序，通過不同的sapi方式得到各種各樣的應用模式，如通過webserver（比較常用的是Apache或Nginx）實現web應用、在命令行下以腳本方式運行等等。

核心數據結構HashTable

HashTable在PHP中是數據存儲的核心。各種常量、變量、函數、類以及對象都是通過HashTable來組織的。在實現HashTable時結合了雙向鏈表和數組兩種數據結構的優點，提供了非常高效的查詢與存儲機制。
在Zend HashTable包括兩個主要的數據結構，其一是Bucket（桶）結構，另一個是HashTable結構。Bucket結構是用於保存數據的容器，而 HashTable結構則提供了對所有這些Bucket(或桶列)進行管理的機制。每個元素（Bucket）都有一個唯一的鍵名（Key），根據鍵名可以在HashTable中確定一個唯一的數據元素。
Bucket結構：

typedef struct bucket {
ulong h;       /* Used for numeric indexing */
uint nKeyLength;     /* key 長度 */
void *pData;      /* 指向Bucket中保存的數據的指針 */
void *pDataPtr;     /* 指針數據 */
struct bucket *pListNext;   /* 指向HashTable桶列中下一個元素 */
struct bucket *pListLast;    /* 指向HashTable桶列中前一個元素 */
struct bucket *pNext;    /* 指向具有同一個hash值的桶列的後一個元素 */
struct bucket *pLast;    /* 指向具有同一個hash值的桶列的前一個元素 */
char arKey[1];      /* 必須是最後一個成員，key名稱*/
} Bucket;

補充：鍵名有兩種表示方式。第一種方式使用字符串arKey作爲鍵名，該字符串的長度爲nKeyLength。注意到在上面的數據結構中arKey雖然只是一個長度爲1的字符數組，但它並不意味着key只能是一個字符。實際上Bucket是一個可變長的結構體，由於arKey是 Bucket的最後一個成員變量，通過arKey與nKeyLength結合可確定一個長度爲nKeyLength的key。這是C語言編程中的一個比較常用的技巧。另一種鍵名的表示方式是索引方式，這時nKeyLength總是0，長整型字段h就表示該數據元素的鍵名。簡單的來說，即如果 nKeyLength=0，則鍵名爲h；否則鍵名爲arKey, 鍵名的長度爲nKeyLength。當nKeyLength > 0時，並不表示這時的h值就沒有意義。事實上，此時它保存的是arKey對應的hash值。不管hash函數怎麼設計，衝突都是不可避免的，也就是說不同的arKey可能有相同的hash值。具有相同hash值的Bucket保存在HashTable的arBuckets數組(參考下面的解釋)的同一個索引對應的桶列中。這個桶列是一個雙向鏈表，其前向元素，後向元素分別用pLast, pNext來表示。新插入的Bucket放在該桶列的最前面。在Bucket中，實際的數據是保存在pData指針指向的內存塊中，通常這個內存塊是系統另外分配的。但有一種情況例外，就是當Bucket保存的數據是一個指針時，HashTable將不會另外請求系統分配空間來保存這個指針，而是直接將該指針保存到pDataPtr中，然後再將pData指向本結構成員的地址。這樣可以提高效率，減少內存碎片。由此我們可以看到PHP HashTable設計的精妙之處。如果Bucket中的數據不是一個指針，pDataPtr爲NULL。HashTable中所有的Bucket通過pListNext, pListLast構成了一個雙向鏈表。最新插入的Bucket放在這個雙向鏈表的最後。
注意：在一般情況下，Bucket並不能提供它所存儲的數據大小的信息。所以在PHP的實現中，Bucket中保存的數據必須具有管理自身大小的能力。
HashTable結構：

typedef struct _hashtable {
uint nTableSize;
uint nTableMask;
uint nNumOfElements;
ulong nNextFreeElement;
Bucket *pInternalPointer;
Bucket *pListHead;
Bucket *pListTail;
Bucket **arBuckets;
dtor_func_t pDestructor;
zend_bool persistent;
unsigned char nApplyCount;
zend_bool bApplyProtection;
 
#if ZEND_DEBUG
int inconsistent;
#endif
} HashTable;

在HashTable結構中，nTableSize指定了HashTable的大小，同時它限定了HashTable中能保存Bucket的最大數量，此數越大，系統爲HashTable分配的內存就越多。爲了提高計算效率，系統自動會將nTableSize調整到最小一個不小於nTableSize的2 的整數次方。也就是說，如果在初始化HashTable時指定一個nTableSize不是2的整數次方，系統將會自動調整nTableSize的值。即：nTableSize = 2ceil(log(nTableSize, 2)) 或 nTableSize = pow(ceil(log(nTableSize,2)))。如果在初始化HashTable的時候指定nTableSize = 11，HashTable初始化程序會自動將nTableSize增大到16。
arBuckets是HashTable的關鍵，HashTable初始化程序會自動申請一塊內存，並將其地址賦值給arBuckets，該內存大小正好能容納nTableSize個指針。我們可以將arBuckets看作一個大小爲nTableSize的數組，每個數組元素都是一個指針，用於指向實際存放數據的Bucket。當然剛開始時每個指針均爲NULL。
nTableMask的值永遠是nTableSize – 1，引入這個字段的主要目的是爲了提高計算效率，是爲了快速計算Bucket鍵名在arBuckets數組中的索引。
nNumberOfElements記錄了HashTable當前保存的數據元素的個數。當nNumberOfElement大於nTableSize時，HashTable將自動擴展爲原來的兩倍大小。
nNextFreeElement記錄HashTable中下一個可用於插入數據元素的arBuckets的索引。
pListHead、 pListTail則分別表示Bucket雙向鏈表的第一個和最後一個元素，這些數據元素通常是根據插入的順序排列的。也可以通過各種排序函數對其進行重新排列。pInternalPointer則用於在遍歷HashTable時記錄當前遍歷的位置，它是一個指針，指向當前遍歷到的Bucket，初始值是 pListHead。
pDestructor是一個函數指針，在HashTable增加、修改、刪除Bucket時自動調用，用於處理相關數據的清理工作。
persistent標誌位指出了Bucket內存分配的方式。如果persisient爲TRUE，則使用操作系統本身的內存分配函數爲Bucket分配內存，否則使用PHP的內存分配函數。具體請參考PHP的內存管理。
nApplyCount與bApplyProtection結合提供了一個防止在遍歷HashTable時進入遞歸循環時的一種機制。
inconsistent成員用於調試目的，只在PHP編譯成調試版本時有效。表示HashTable的狀態，狀態有四種：

狀態值 				含義
HT_IS_DESTROYING 	正在刪除所有的內容，包括arBuckets本身
HT_IS_DESTROYED 	已刪除，包括arBuckets本身
HT_CLEANING 		正在清除所有的arBuckets指向的內容，但不包括arBuckets本身
HT_OK 				正常狀態，各種數據完全一致

鍵名結構：

typedef struct _zend_hash_key {
char *arKey;      /* hash元素key名稱 */
uint nKeyLength;     /* hash 元素key長度 */
ulong h;       /* key計算出的hash值或直接指定的數值下標 */
} zend_hash_key;