PHP——底层运行机制与原理-外链论坛

tw4ld6 发表于 2024-10-4 13:05:50

PHP——底层运行机制与原理

PHP用起来感觉很简单方便，然则要精通PHP，熟练底层的工作原理亦不是一件容易的事。
<h2 style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;">1 PHP的设计理念及特点</h2>
多进程模型：因为PHP是多进程模型，区别请求间互不干涉，这般保准了一个请求挂掉不会对全盘服务导致影响，当然，时代发展，PHP亦早已支持多线程模型。
弱类型语言：和C/C++、Java、C#等语言区别，PHP是一门弱类型语言。一个变量的类型并不是一起始就确定不变，运行中才会确定并可能出现隐式或显式的类型转换，这种机制的灵活性在web研发中非常方便、有效。
引擎(Zend)+组件(ext)的模式，降低内部耦合。
中间层(sapi)，隔绝web server和PHP。
语法简单灵活，无太多规范。
<h2 style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;">2 PHP的核心架构</h2>
PHP核心架构如下图，从下到上能够简单分为四层体系： <img src="http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/LFzJFz0UDSaBCBxrejVYQiblfiba9ibAN8ZPiaSq9GDTHxOtACQIC46GIH3hSW1UfMYJDSic5xYGu2LHCpvcvUZk4pw/640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 50%; margin-bottom: 20px;">
Zend引擎：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办法、实现了基本的数据结构（如hashtable、oo）、内存分配及管理、供给了相应的api办法供外边调用，是一切的核心，所有的外围功能均围绕Zend实现。
Extensions：围绕着Zend引擎，extensions经过组件式的方式供给各样基本服务，咱们平常的各样内置函数（如array 系列）、标准库等都是经过extension来实现。
Sapi

:全叫作是Server Application Programming Interface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非常优雅和成功的一个设计，经过 sapi成功的将PHP本身和上层应用解耦隔离，PHP能够再也不思虑怎样针对区别应用进行兼容，而应用本身亦能够针对自己的特点实现区别的处理方式。
平常的有些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，亦是此刻应用最广泛的一种。 cgi：这是webserver和PHP直接的另一种交互方式，亦便是大名鼎鼎的fastcgi协议，在近期今年fastcgi+PHP得到越来越多的应用，亦是异步webserver所独一支持的方式
。 cli：命令行调用的应用模式
上层应用：这便是咱们平时编写的PHP程序，经过区别的sapi方式得到各样各样的应用模式，如经过webserver实现web应用、在命令行下以脚本方式运行等。
<h2 style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;">3 PHP的执行流程</h2>
<img src="http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/LFzJFz0UDSaBCBxrejVYQiblfiba9ibAN8ZhMI25Ym4ZbVZtlboYibHOhlGMbDc9fUYryLbQQfZTEXiaI88n5P5Ew1Q/640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 50%; margin-bottom: 20px;">
PHP实现了一个典型的动态语言执行过程：拿到一段代码后，经过词法解析、语法解析等周期后，源程序会被翻译成一个个指令 (opcodes)，而后ZEND虚拟机按序执行这些指令完成操作。PHP本身是用C实现的，因此呢最后调用的亦都是C的函数，实质上，能够把PHP看成是一个C研发的软件。
PHP的执行的核心是翻译出来的一条一条指令，亦即opcode。
Opcode是PHP程序执行的最基本单位。一个opcode由两个参数(op1,op2)、返回值和处理函数构成。PHP程序最后被翻译为一组opcode处理函数的次序执行。
平常的几个处理函数：
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：判断相等 a==1
ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST：判断相等 a===1
<h2 style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;">4 Zend引擎介绍</h2>
Zend引擎做为PHP的内核，有非常多经典的设计机制，重点有以下几个：
4.1 实现HashTable数据公司：
HashTable是Zend的核心数据结构。在PHP里面几乎用来实现所有平常功能，咱们晓得的PHP数组即是其典型应用，另外，在zend内部，如函数符号表、全局变量等亦都是基于hash table来实现。
Zend hash table实现了典型的hash表散列结构，同期经过附加一个双向链表，供给了正向、反向遍历数组的功能。其结构如下图 <img src="http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/LFzJFz0UDSaBCBxrejVYQiblfiba9ibAN8ZBVKpWEWrZKwVmOXqxAm04QODxexUdTibj9ty71mVSAkdr13jeBDPqIQ/640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 50%; margin-bottom: 20px;">
能够看到，在hash table中既有key->value形式的散列结构，亦有双向链表模式，使得它能够非常方便的支持快速查询和线性遍历。散列结构
：Zend的散列结构是典型的hash表模型，经过链表的方式来处理冲突。需要重视的是zend的hash table是一个自增长的数据结构，当hash表数目满了之后，其本身会动态以2倍的方式扩容并重新元素位置。初始体积均为8。另一，在进行 key->value快速查询时候，zend本身还做了有些优化，经过空间换时间的方式加快速度。例如在每一个元素中都会用一个变量 nKeyLength标识key的长度以作快速判定。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，做遍历运用单向链表就够了，之因此运用双向链表，重点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，做为数组运用时，即支持平常的相关数组亦能够做为次序索引数字来运用，乃至准许2者的混合。PHP相关数组：相关数组是典型的hash_table应用。一次查找过程经过如下几步（从代码能够看出，这是一个平常的hash查找过程并增多有些快速判定加速查询）：01  getKeyHashValue h;02  index = n & nTableMask;03  Bucket *p = arBucket;04  while (p) {05      if((p->h == h) && (p->nKeyLength == nKeyLength)) {06          RETURN p->data;   07      }08      p=p->next;09  }10  RETURN FALTURE;1
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PHP索引数组：索引数组便是咱们平常的数组，经过下标拜访。例如 arr，Zend HashTable内部进行了归一化处理，针对index类型key一样分配了hash值和nKeyLength(为0)。内部成员变量 nNextFreeElement便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才可够实现相关和非相关的混合。因为 push操作的特殊性，索引key在PHP数组中先后次序并不是经过下标体积来决定，而是由push的先后决定。例如 arr = 2; arr = 3;针对double类型的key，Zend HashTable会将他当做索引key处理
4.2 PHP变量实现原理：
PHP是一门弱类型语言，不严格区分变量的类型。PHP在变量申明的时候不需要指定类型。PHP在程序运行时期可能进行变量类型的隐示转换。和其他强类型语言同样，程序中亦能够进行表示的类型转换。PHP变量能够分为简单类型(int、string、bool)、集合类型(array 、resource 、object)和常量(const)。以上所有的变量在底层都是同一种结构 zval。
Zval是zend中另一个非常重要的数据结构，用来标识并实现PHP变量，其数据结构如下：<img src="http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/LFzJFz0UDSaBCBxrejVYQiblfiba9ibAN8ZoPibeorfqnDQxxwoOyYmEbvKBPy24M36n98JkDdFypxcy5OS6Uu3s5g/640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 50%; margin-bottom: 20px;">
Zval结构体重点由三部分构成： 
type：指定了变量所述的类型（整数、字符串、数组等） 
refcount&is_ref：用来实现引用计数(后面详细介绍) 
value：核心部分，存储了变量的实质数据 Zvalue是用来保留一个变量的实质数据。由于要存储多种类型，因此zvalue是一个union，亦由此实现了弱类型。
PHP变量类型和其实质存储对应关系如下：1   IS_LONG   -> lvalue2   IS_DOUBLE -> dvalue3   IS_ARRAY  -> ht4   IS_STRING -> str5   IS_RESOURCE -> lvalue1
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4.2.1 整数、浮点数变量

整数、浮点数是PHP中的基本类型之一，亦是一个简单型变量。针对整数和浮点数，在zvalue中直接存储对应的值。其类型分别是long和double。 
从zvalue结构中能够看出，针对整数类型，和c等强类型语言区别，PHP是不区分int、unsigned int、long、long long等类型的，对它来讲，整数仅有一种类型亦便是long。由此，能够看出，在PHP里面，整数的取值范围是由于编译器位数来决定而不是固定不变的。针对浮点数，类似整数，它亦不区分float和double而是统一仅有double一种类型。
在PHP中，倘若整数范围越界了怎么办？这种状况下会自动转换为double类型，这个必定要小心，非常多trick都是由于此产生。
4.2.2 字符变量
和整数同样，字符变量亦是PHP中的基本类型和简单型变量。经过zvalue结构能够看出，在PHP中，字符串是由于由指向实质数据的指针和长度结构体构成，这点和c++中的string比较类似。因为经过一个实质变量暗示长度，和c区别，它的字符串可以是2进制数据（包括\0），同期在PHP中，求字符串长度strlen是O(1)操作。
在新增、修改、追加字符串操作时，PHP都会重新分配内存生成新的字符串。最后，出于安全思虑，PHP在生成一个字符串时末尾仍然会添加\0
平常的字符串拼接方式及速度比较：
假设有如下4个变量：strA=‘123’; strB = ‘456’; intA=123; intB=456;
此刻对如下的几种字符串拼接方式做一个比较和说明： 
1 res = strA.strB和res = “strAstrB” 
这种状况下，zend会重新malloc一起内存并进行相应处理，其速度通常。 
2 strA = strA.strB 
这种是速度最快的，zend会在当前strA基本上直接relloc，避免重复拷贝
3 res = intA.intB 
这种速度较慢，由于需要做隐式的格式转换，实质编写程序中亦应该重视尽可能避免 
4 strA = sprintf (“%s%s”,strA，strB); 这会是最慢的一种方式，由于sprintf在PHP中并不是一个语言结构，本身针对格式识别和处理就需要耗费比较多时间，另一本身机制亦是malloc。不外sprintf的方式最具可读性，实质中能够按照详细状况灵活选取。
4.2.3 数组变量
PHP的数组经过Zend HashTable来天然实现。
foreach操作怎样实现？对一个数组的foreach便是经过遍历hashtable中的双向链表完成。针对索引数组，经过foreach遍历效率比for高非常多，省去了key->value的查询。count操作直接调用 HashTable->NumOfElements，O(1)操作。针对’123’这般的字符串，zend会转换为其整数形式。arr[‘123’]和arr是等价的
4.2.4 资源变量
资源类型变量是PHP中最繁杂的一种变量，亦是一种复合型结构。
PHP的zval能够暗示广泛的数据类型，然则针对自定义的数据类型却很难充分描述。因为无有效的方式描绘这些复合结构，因此呢亦无办法对它们运用传统的操作符。要处理这个问题，只需要经过一个本质上任意的标识符（label）引用指针，这种方式被叫作为资源。
在zval中，针对resource，lval做为指针来运用，直接指向资源所在的位置。Resource能够是任意的复合结构，咱们熟练的mysqli、fsock、memcached等都是资源。
怎样运用资源：
1 注册：针对一个自定义的数据类型，想要将它做为资源。首先需要进行注册，zend会为它分配全局独一标示。
2 获取一个资源变量：针对资源，zend守护了一个id->实质数据的hash_tale。针对一个resource，在zval中只记录了它的id。fetch的时候经过id在hash_table中找到详细的值返回。 
3 资源销毁：资源的数据类型是多种多样的。Zend本身无办法销毁它。因此呢需要用户在注册资源的时候供给销毁函数。当unset资源时，zend调用相应的函数完成析构。同期从全局资源表中删除它。资源能够长时间驻留，不只是在所有引用它的变量超出功效域之后，乃至是在一个请求结束并且新的请求产生之后。这些资源叫作为持久资源，由于它们贯通 SAPI的全部生命周期连续存在，除非特意销毁。非常多状况下，持久化资源能够在必定程度上加强性能。例如咱们平常的mysql_pconnect ,持久化资源经过pemalloc分配内存，这般在请求结束的时候不会释放。对zend来讲，对两者本身并不区分。
4-3 . PHP变量管理——引用计数和写时拷贝：
引用计数在内存回收、字符串操作等地区运用非常广泛。Zval的引用计数经过成员变量is_ref和ref_count实现，经过引用计数，多个变量能够共享同一份数据。避免频繁拷贝带来的海量消耗。在进行赋值操作时，zend将变量指向相同的zval同期ref_count++，在unset操作时，对应的ref_count-1。只有ref_count减为0时才会真正执行销毁操作。倘若是引用赋值，则zend会修改is_ref为1。
PHP变量经过引用计数实现变量共享数据，那倘若改变其中一个变量值呢？当试图写入一个变量时，Zend若发掘该变量指向的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，这个过程叫作为“zval分离”。可见，仅有在有写操作出现时 zend才进行拷贝操作，因此呢亦叫copy-on-write(写时拷贝)
针对引用型变量，其需求和非引用型相反，引用赋值的变量间必须是绑缚的，修改一个变量就修改了所有绑缚变量。
4-4 . PHP局部变量和全局变量的实现：
PHP中的局部变量和全局变量是怎样实现的？针对一个请求，任意时刻PHP都能够看到两个符号表(symbol_table和 active_symbol_table)，其中前者用来守护全局变量。后者是一个指针，指向当前活动的变量符号表，当程序进入到某个函数中时，zend 就会为它分配一个符号表x同期将active_symbol_table指向a。经过这般的方式实现全局、局部变量的区分。
获取变量值：PHP的符号表是经过hash_table实现的，针对每一个变量都分配独一标识，获取的时候按照标识从表中找到相应zval返回。
函数中运用全局变量：在函数中，咱们能够经过显式申明global来运用全局变量。在active_symbol_table中创建symbol_table中同名变量的引用（引用变量的值要更新大众会一块更新），倘若symbol_table中无同名变量则会先创建。
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