php底层的运行机制和原理

时间 2019-12-18

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php设计的理念及特色

PHP 被设计为一种适用于web开发的动态脚本语言，同时具备解释型和弱类型，底层彻底由C语言实现。
- 解释型即程序边运行边解释，一行一行运行。
- 弱类型即变量类型一开始并非肯定的，可能在运行过程当中发生隐式或显式转换，这是php的底层的zval结构体决定的，这种机制的灵活性在web开发中很是方便、高效。
多进程模型：因为PHP是多进程模型，不一样请求间互不干涉，这样保证了一个请求挂掉不会全盘服务形成影响，固然，随着时代发展，PHP也早已经支持多线程模型。php
引擎（Zend） + 组件（ext）的模式下降内部耦合。node
中间层（sapi）隔绝web server 和 PHP。web
语法简单灵活，没有太多规范。apache

PHP 的四层体系

PHP的核心架构以下图：
编程

从上图能够看出，PHP从下到上是一个4层体系：api

Zend引擎：Zend总体用纯C实现，是PHP的内核部分，它将PHP代码翻译（词法、语法解析等一系列编译过程）为可执行opcode的处理并实现相应的处理方法、实现了基本的数据结构（如hashtable、oo）、内存分配及管理、提供了相应的api方法供外部调用，是一切的核心，全部的外围功能均围绕Zend实现。数组
Extensions：围绕着Zend引擎，extensions经过组件式的方式提供各类基础服务，咱们常见的各类内置函数（如array系列）、标准库等都是经过extension来实现，用户也能够根据须要实现本身的extension以达到功能扩展、性能优化等目的（如贴吧正在使用的PHP中间层、富文本解析就是extension的典型应用）。安全
Sapi：Sapi全称是Server Application Programming Interface，也就是服务端应用编程接口，Sapi经过一系列钩子函数，使得PHP能够和外围交互数据，这是PHP很是优雅和成功的一个设计，经过sapi成功的将PHP自己和上层应用解耦隔离，PHP能够再也不考虑如何针对不一样应用进行兼容，而应用自己也能够针对本身的特色实现不一样的处理方式。性能优化
上层应用：这就是咱们平时编写的PHP程序，经过不一样的sapi方式获得各类各样的应用模式，如经过webserver实现web应用、在命令行下以脚本方式运行等等。数据结构

若是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下面的各类组件就是车的轮子，Sapi能够看作是公路，车能够跑在不一样类型的公路上，而一次PHP程序的执行就是汽车跑在公路上。所以，咱们须要：性能优异的引擎+合适的车轮+正确的跑道。

Sapi

如前所述，Sapi经过经过一系列的接口，使得外部应用能够和PHP交换数据并能够根据不一样应用特色实现特定的处理方法，咱们常见的一些sapi有：

apache2handler：这是以apache做为webserver，采用mod_PHP模式运行时候的处理方式，也是如今应用最普遍的一种。
cgi：这是webserver和PHP直接的另外一种交互方式，也就是大名鼎鼎的fastcgi协议，在最近今年fastcgi+PHP获得愈来愈多的应用，也是异步webserver所惟一支持的方式。
cli：命令行调用的应用模式

PHP的执行流程&opcode

咱们先来看看PHP代码的执行所通过的流程。

从图上能够看到，PHP实现了一个典型的动态语言执行过程：拿到一段代码后，通过此法解析、语法解析等阶段后，源程序会被翻译成一个个指令（opcodes），而后Zend虚拟机顺次执行这些指令完成操做。PHP自己是用C实现的，所以最终调用的也都是C的函数，实际上，咱们能够把PHP看作是一个C开发的软件。

PHP的执行的核心是翻译出来一条一条指令，也即opcode
opcode是PHP程序执行的最基本单位。一个opcode由两个参数（op1，op2）、返回值和处理函数组成。PHP程勋最终被翻译为一组opcode处理函数的顺序执行。
常见的几个处理函数

PHP
 
1    ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 变量分配 （$a=$b）
2    ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER：函数调用
3    ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER：字符串拼接 $a.$b
4    ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法运算 $a+2
5    ZEND_IS_EQUAL_SPEC_CV_CONST：判断相等 $a==1
6    ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST：判断相等 $a===1

Hash Table —— 核心数据结构

HashTable 是Zend的核心数据结构，在PHP里面几乎被用来实现全部常见的功能，咱们知道的PHP数组便是其典型应用，此外，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 具备以下特色：
- 支持典型的key——> value查询
- 能够当作数组使用
- 添加、删除节点是 O（1）复杂度
- key 支持混合类型：同时存在关联数组和索引数组
- value 支持混合类型：array("string", 23332)
- 支持线性遍历：如 foreach

Zend Hash Table 实现了典型的hash表散列结构，同时经过附加一个双向链表，提供了正向、反向遍历数组的功能。其结构以下图：

能够看到，在hash table中既有 key -> value 形式的散列结构，也有双向链表模式，使得它可以很是方便的支持快速查找和线性遍历。

散列结构：Zend的散列结构是典型的hash表模型，经过链表的方式来解决冲突。须要注意的是zend的hash table 是一个自增加的数据结构，当hash表数目满了以后，其自己会动态以2倍的方式扩容并从新元素位置。初始大小均为8。另外，在进行key->value快速查找时候，zend自己还作了一些优化，经过空间换时间的方式加快速度。好比在每一个元素中都会用一个变量nKeyLength标识key的长度以做快速断定。
双向链表：Zend hash table经过一个链表结构，实现了元素的线性遍历。理论上，作遍历使用单向链表就够了，之因此使用双向链表，主要目的是为了快速删除，避免遍历。Zend hash table是一种复合型的结构，做为数组使用时，即支持常见的关联数组也可以做为顺序索引数字来使用，甚至容许2者的混合。
PHP关联数组：关联数组是典型的hash_table应用。一次查询过程通过以下几步（从代码能够看出，这是一个常见的hash查询过程并增长一些快速断定加速查找。）：

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：索引数组就是咱们常见的数组，经过下标访问。例如 $arr[0]，Zend HashTable内部进行了归一化处理，对于index类型key一样分配了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后自动加一。正是这种归一化处理，PHP才可以实现关联和非关联的混合。因为push操做的特殊性，索引key在PHP数组中前后顺序并非经过下标大小来决定，而是由push的前后决定。例如 $arr[1] = 2; $arr[2] = 3;对于double类型的key，Zend HashTable会将他当作索引key处理

PHP 变量

PHP是一门弱类型语言，自己不严格区分变量的类型。PHP在变量申明的时候不须要指定类型。PHP在程序运行期间可能进行变量类型的隐示转换。和其余强类型语言同样，程序中也能够进行显示的类型转换。
PHP变量能够分为简单类型(int、float、bool)、集合类型(string、array resource object)和常量(const)。
PHP没有真正的float和int，PHP中的浮点数float 在底层是double，整型变量是 long int
PHP的字符串是二进制安全的，字符串中有len字段用来表示长度
PHP的数组是hash table，是线程安全的，不容许空值，但在迭代是会被锁住，数组过大时性能会急剧降低。
以上全部的变量在底层都是同一种结构 zval结构体。

zval是zend中另外一个很是重要的数据结构，用来标识并实现PHP变量，其数据结构以下：

struct _zval_struct {
    zend_value        value;            /* value */
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    type,            /* active type  主要是这个字段*/
                zend_uchar    type_flags,
                zend_uchar    const_flags,
                zend_uchar    reserved)        /* call info for EX(This) */
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u1;
    union {
        uint32_t     next;                 /* hash collision chain */
        uint32_t     cache_slot;           /* literal cache slot */
        uint32_t     lineno;               /* line number (for ast nodes) */
        uint32_t     num_args;             /* arguments number for EX(This) */
        uint32_t     fe_pos;               /* foreach position */
        uint32_t     fe_iter_idx;          /* foreach iterator index */
        uint32_t     access_flags;         /* class constant access flags */
        uint32_t     property_guard;       /* single property guard */
        uint32_t     extra;                /* not further specified */
    } u2;
};

Zval 主要由三部分组成：

联合体：value 用来存放变量的值，是一个叫作zend_value的联合体
联合体：u1 标明变量的属性
联合体：u2 标明变量被使用的状况

结构体和联合体
struct(结构体) 和 union(联合体)
结构体是8字节对齐，不够8字节的部分则空出来；
联合体共用一个8字节，共享这8字节的内存，后使用的会覆盖先使用的
结构体和联合体在形式上是类似的

变量的值实际存储在zend_value的联合体中，也就是value联合体, 联合体比结构体要节省不少空间，也由此实现了弱类型。
若是

typedef union _zend_value {
    zend_long         lval;                /* long value */     // 整型
    double            dval;                /* double value */   // 浮点型
    zend_refcounted  *counted;                                            
    zend_string      *str;                                             // 字符串
    zend_array       *arr;                                            // 数组
    zend_object      *obj;                                           // 对象
    zend_resource    *res;                                        // 资源
    zend_reference   *ref;                                         // 引用
    zend_ast_ref     *ast;            
    zval             *zv;
    void             *ptr;
    zend_class_entry *ce;                                        // 类
    zend_function    *func;                                        // 函数
    struct {
        uint32_t w1;
        uint32_t w2;
    } ww;
} zend_value;

PHP变量类型用 u1 联合体来标示，其中u1结构以下

union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    type,            /* active type  主要是这个字段*/
                zend_uchar    type_flags,
                zend_uchar    const_flags,
                zend_uchar    reserved)        /* call info for EX(This) */
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u1;

和 value结构体实际存储对应关系
type的值以下：

IS_UNDEEF    -> 0             // 未定义类型
IS_NULL         -> 1              // null类型
IS_FALSE       -> 2              // bool 假
IS_TRUE        -> 3              // bool 真
IS_LONG        -> 4              // 整型（长）
IS_DOUBLE    -> 5             // 浮点 （double）
IS_STRING     ->6              // string
IS_ARRAY       -> 7             // 数组
IS_OBJECT     -> 8             // 对象
IS_RESOURCE   -> 9         // 资源
IS_REFERENCE ->10        // 引用

当知道u1中type的值以后，咱们去 _zend_value 也是就 value联合体中取对应类型的值好比，type 是 IS_LONG ，zval 就是整型，咱们就去value中取 lval，这就是一个php的整型变量，一共占8+4+4=16字节，直接复制。