php底層運行機制與原理 php底層運行機制與原理

php底層運行機制與原理

1 PHP的設計理念及特點

• 多進程模型：由於PHP是多進程模型，不同請求間互不干涉，這樣保證了一個請求掛掉不會對全盤服務造成影響，當然，時代發展，PHP也早已支持多線程模型。
• 弱類型語言：和C/C++、Java、C#等語言不同，PHP是一門弱類型語言。一個變量的類型並不是一開始就確定不變，運行中才會確定並可能發生隱式或顯式的類型轉換，這種機制的靈活性在web開發中非常方便、高效。
• 引擎(Zend)+組件(ext)的模式，降低內部耦合。
• 中間層(sapi)，隔絕web server和PHP。
• 語法簡單靈活，沒有太多規範。

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2 PHP的核心架構

PHP核心架構如下圖，從下到上可以簡單分爲四層體系： 

1. Zend引擎：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的處理並實現相應的處理方法、實現了基本的數據結構（如hashtable、oo）、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。
2. 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。
3. Sapi :全稱是Server Application Programming Interface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非常優雅和成功的一個設計，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。 
   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，在最近今年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
4. 上層應用：這就是我們平時編寫的PHP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實現web應用、在命令行下以腳本方式運行等。

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3 PHP的執行流程

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 (opcodes)，然後ZEND虛擬機順次執行這些指令完成操作。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，可以把PHP看成是一個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，也即opcode。

Opcode是PHP程序執行的最基本單位。一個opcode由兩個參數(op1,op2)、返回值和處理函數組成。PHP程序最終被翻譯爲一組opcode處理函數的順序執行。

常見的幾個處理函數：

• ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 變量分配 （ a=b)
• ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER：函數調用
• ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER：字符串拼接 a.b
• ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法運算a+2
• ZEND_IS_EQUAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 a==1
• ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 a===1

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4 Zend引擎介紹

Zend引擎作爲PHP的內核，有很多經典的設計機制，主要有以下幾個：

4.1 實現HashTable數據機構：

HashTable是Zend的核心數據結構。在PHP裏面幾乎用來實現所有常見功能，我們知道的PHP數組即是其典型應用，此外，在zend內部，如函數符號表、全局變量等也都是基於hash table來實現。 
Zend hash table實現了典型的hash表散列結構，同時通過附加一個雙向鏈表，提供了正向、反向遍歷數組的功能。其結構如下圖 
 
可以看到，在hash table中既有key->value形式的散列結構，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。 
散列結構：Zend的散列結構是典型的hash表模型，通過鏈表的方式來解決衝突。需要注意的是zend的hash table是一個自增長的數據結構，當hash表數目滿了之後，其本身會動態以2倍的方式擴容並重新元素位置。初始大小均爲8。另外，在進行 key->value快速查找時候，zend本身還做了一些優化，通過空間換時間的方式加快速度。比如在每個元素中都會用一個變量 nKeyLength標識key的長度以作快速判定。 
雙向鏈表：Zend hash table通過一個鏈表結構，實現了元素的線性遍歷。理論上，做遍歷使用單向鏈表就夠了，之所以使用雙向鏈表，主要目的是爲了快速刪除，避免遍歷。 Zend hash table是一種複合型的結構，作爲數組使用時，即支持常見的關聯數組也能夠作爲順序索引數字來使用，甚至允許2者的混合。 
PHP關聯數組：關聯數組是典型的hash_table應用。一次查詢過程經過如下幾步（從代碼可以看出，這是一個常見的hash查詢過程並增加一些快速判定加速查找）：

01  getKeyHashValue h;
02  index = n & nTableMask;
03  Bucket *p = arBucket[index];
04  while (p) {
05      if ((p->h == h) && (p->nKeyLength == nKeyLength)) {
06          RETURN p->data;   
07      }
08      p=p->next;
09  }
10  RETURN FALTURE;

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PHP索引數組：索引數組就是我們常見的數組，通過下標訪問。例如 arr[0]，Zend HashTable內部進行了歸一化處理，對於index類型key同樣分配了hash值和nKeyLength(爲0)。內部成員變量 nNextFreeElement就是當前分配到的最大id，每次push後自動加一。正是這種歸一化處理，PHP才能夠實現關聯和非關聯的混合。由於 push操作的特殊性，索引key在PHP數組中先後順序並不是通過下標大小來決定，而是由push的先後決定。例如 arr[1] = 2; arr[2] = 3;對於double類型的key，Zend HashTable會將他當做索引key處理

4.2 PHP變量實現原理：

PHP是一門弱類型語言，不嚴格區分變量的類型。PHP在變量申明的時候不需要指定類型。PHP在程序運行期間可能進行變量類型的隱示 轉換。 和其他強類型語言一樣，程序中也可以進行顯示的類型轉換。PHP變量可以分爲簡單類型(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構 zval。

Zval是zend中另一個非常重要的數據結構，用來標識並實現PHP變量，其數據結構如下： 
 
Zval結構體主要由三部分組成： 
type：指定了變量所述的類型（整數、字符串、數組等） 
refcount&is_ref：用來實現引用計數(後面具體介紹) 
value：核心部分，存儲了變量的實際數據 
Zvalue是用來保存一個變量的實際數據。因爲要存儲多種類型，所以zvalue是一個union，也由此實現了弱類型。

PHP變量類型和其實際存儲對應關係如下：

1   IS_LONG   -> lvalue
2   IS_DOUBLE -> dvalue
3   IS_ARRAY  -> ht
4   IS_STRING -> str
5   IS_RESOURCE -> lvalue

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4.2.1 整數、浮點數變量 
整數、浮點數是PHP中的基礎類型之一，也是一個簡單型變量。對於整數和浮點數，在zvalue中直接存儲對應的值。其類型分別是long和double。 
從zvalue結構中可以看出，對於整數類型，和c等強類型語言不同，PHP是不區分int、unsigned int、long、long long等類型的，對它來說，整數只有一種類型也就是long。由此，可以看出，在PHP裏面，整數的取值範圍是由編譯器位數來決定而不是固定不變的。 
對於浮點數，類似整數，它也不區分float和double而是統一隻有double一種類型。

在PHP中，如果整數範圍越界了怎麼辦？這種情況下會自動轉換爲double類型，這個一定要小心，很多trick都是由此產生。

4.2.2 字符變量

和整數一樣，字符變量也是PHP中的基礎類型和簡單型變量。通過zvalue結構可以看出，在PHP中，字符串是由由指向實際數據的指針和長度結 構體組成，這點和c++中的string比較類似。由於通過一個實際變量表示長度，和c不同，它的字符串可以是2進制數據（包含\0），同時在PHP中， 求字符串長度strlen是O(1)操作。

在新增、修改、追加字符串操作時，PHP都會重新分配內存生成新的字符串。最後，出於安全考慮，PHP在生成一個字符串時末尾仍然會添加\0

常見的字符串拼接方式及速度比較：

假設有如下4個變量：strA=‘123’; strB = ‘456’; intA=123; intB=456; 
現在對如下的幾種字符串拼接方式做一個比較和說明： 
1 res = strA.strB和res = “strAstrB” 
這種情況下，zend會重新malloc一塊內存並進行相應處理，其速度一般。 
2 strA = strA.strB 
這種是速度最快的，zend會在當前strA基礎上直接relloc，避免重複拷貝 
3 res = intA.intB 
這種速度較慢，因爲需要做隱式的格式轉換，實際編寫程序中也應該注意儘量避免 
4 strA = sprintf (“%s%s”,strA，strB); 
這會是最慢的一種方式，因爲sprintf在PHP中並不是一個語言結構，本身對於格式識別和處理就需要耗費比較多時間，另外本身機制也是malloc。不過sprintf的方式最具可讀性，實際中可以根據具體情況靈活選擇。

4.2.3 數組變量

PHP的數組通過Zend HashTable來天然實現。

foreach操作如何實現？對一個數組的foreach就是通過遍歷hashtable中的雙向鏈表完成。對於索引數組，通過foreach遍 歷效率比for高很多，省去了key->value的查找。count操作直接調用 HashTable->NumOfElements，O(1)操作。對於’123’這樣的字符串，zend會轉換爲其整數形 式。arr[‘123’]和arr[123]是等價的

4.2.4 資源變量

資源類型變量是PHP中最複雜的一種變量，也是一種複合型結構。

PHP的zval可以表示廣泛的數據類型，但是對於自定義的數據類型卻很難充分描述。由於沒有有效的方式描繪這些複合結構，因此也沒有辦法對它們使用傳統的操作符。要解決這個問題，只需要通過一個本質上任意的標識符（label）引用指針，這種方式被稱爲資源。

在zval中，對於resource，lval作爲指針來使用，直接指向資源所在的地址。Resource可以是任意的複合結構，我們熟悉的mysqli、fsock、memcached等都是資源。

如何使用資源：

1 註冊：對於一個自定義的數據類型，要想將它作爲資源。首先需要進行註冊，zend會爲它分配全局唯一標示。 
2 獲取一個資源變量：對於資源，zend維護了一個id->實際數據的hash_tale。對於一個resource，在zval中只記錄了它的id。fetch的時候通過id在hash_table中找到具體的值返回。 
3 資源銷燬：資源的數據類型是多種多樣的。Zend本身沒有辦法銷燬它。因此需要用戶在註冊資源的時候提供銷燬函數。當unset資源時，zend調用相應的函數完成析構。同時從全局資源表中刪除它。 
資源可以長期駐留，不只是在所有引用它的變量超出作用域之後，甚至是在一個請求結束並且新的請求產生之後。這些資源稱爲持久資源，因爲它們貫通 SAPI的整個生命週期持續存在，除非特意銷燬。很多情況下，持久化資源可以在一定程度上提高性能。比如我們常見的mysql_pconnect ,持久化資源通過pemalloc分配內存，這樣在請求結束的時候不會釋放。 對zend來說，對兩者本身並不區分。

4-3 . PHP變量管理——引用計數和寫時拷貝：

引用計數在內存回收、字符串操作等地方使用非常廣泛。Zval的引用計數通過成員變量is_ref和ref_count實現，通過引用計數，多個變量可以共享同一份數據。避免頻繁拷貝帶來的大量消耗。在進行賦值操作時，zend將變量指向相同的zval同時ref_count++，在unset操作時，對應的ref_count-1。只有ref_count減爲0時纔會真正執行銷燬操作。如果是引用賦值，則zend會修改is_ref爲1。

PHP變量通過引用計數實現變量共享數據，那如果改變其中一個變量值呢？當試圖寫入一個變量時，Zend若發現該變量指向的zval被多個變量共享，則爲其複製一份ref_count爲1的zval，並遞減原zval的refcount，這個過程稱爲“zval分離”。可見，只有在有寫操作發生時 zend才進行拷貝操作，因此也叫copy-on-write(寫時拷貝)

對於引用型變量，其要求和非引用型相反，引用賦值的變量間必須是捆綁的，修改一個變量就修改了所有捆綁變量。

4-4 . PHP局部變量和全局變量的實現：

PHP中的局部變量和全局變量是如何實現的？對於一個請求，任意時刻PHP都可以看到兩個符號表(symbol_table和 active_symbol_table)，其中前者用來維護全局變量。後者是一個指針，指向當前活動的變量符號表，當程序進入到某個函數中時，zend 就會爲它分配一個符號表x同時將active_symbol_table指向a。通過這樣的方式實現全局、局部變量的區分。

獲取變量值：PHP的符號表是通過hash_table實現的，對於每個變量都分配唯一標識，獲取的時候根據標識從表中找到相應zval返回。

函數中使用全局變量：在函數中，我們可以通過顯式申明global來使用全局變量。在active_symbol_table中創建symbol_table中同名變量的引用（引用變量的值要更新大家會一起更新），如果symbol_table中沒有同名變量則會先創建。

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5 PHP內存管理

見參考地址2.

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【參考地址】：

1 http://www.cnblogs.com/zcy_soft/archive/2013/03/14/2959396.html 
2 http://www.laruence.com/2011/11/09/2277.html