PHP の基本的な動作メカニズムと原理

PHPは簡単だと言われていますが、使いこなすのは簡単ではありません。それを使用できることに加えて、その根本的な動作原理を知る必要もあります。

PHP は Web 開発に適した動的言語です。具体的には、C言語を使用して多数のコンポーネントを実装するソフトウェアフレームワークです。より狭義には、強力な UI フレームワークと考えることができます。

PHP の基礎となる実装を理解する目的は何ですか?動的言語をうまく使用するには、まずメモリ管理とフレームワーク モデルを理解する必要があります。拡張された開発を通じて、より強力な機能を実現し、プログラムのパフォーマンスを最適化できます。

1. PHP の設計概念と特徴

マルチプロセス モデル: PHP はマルチプロセス モデルであるため、異なるリクエストが互いに干渉せず、1 つのリクエストの失敗がサービス全体に影響を与えることはありません。もちろん、開発の時代とともに、PHP はすでにマルチスレッド モデルをサポートしています。

型の弱い言語: C/C++、Java、C#、その他の言語とは異なり、PHP は型の弱い言語です。変数の型は最初は決定されず、暗黙的または明示的な型変換が行われるため、Web 開発では非常に便利で効率的です。詳細については、「変数」で説明します。に詳しく記載されています。

エンジン (Zend) + コンポーネント (ext) モードは、内部結合を軽減します。

中間層 (sapi) は Web サーバーと PHP を分離します。

構文はシンプルで柔軟であり、あまり多くの仕様はありません。欠点があるとスタイルが混在しますが、プログラマがどんなに下手でも、突飛すぎて全体の状況を危険にさらすようなプログラムは書きません。

2. PHP の 4 層システム

PHP のコア アーキテクチャは次のとおりです:

写真からわかるように、PHP は下から上に 4 層システムです:

Zend エンジン: Zend は全体として使用されます。 Pure C 実装は、PHP コード (字句解析や構文解析などの一連のコンパイル処理) を実行可能なオペコード処理に変換し、対応する処理メソッドを実装し、基本的なデータ構造を実装します。これは、すべての周辺機能が Zend を中心に実装されています。

拡張機能: Zend エンジンを中心に、拡張機能はコンポーネントベースの方法でさまざまな基本サービスを提供します。一般的なさまざまな組み込み関数 (配列シリーズなど)、標準ライブラリなどはすべて拡張機能を通じて実装されており、ユーザーは次のことも行うことができます。必要に応じて独自の拡張機能を使用して、機能拡張やパフォーマンスの最適化などを実現します (たとえば、現在 Tieba で使用されている PHP 中間層やリッチ テキスト解析が拡張機能の代表的なアプリケーションです)。

Sapi: Sapi の正式名はサーバー アプリケーション プログラミング インターフェイスであり、これは PHP が一連のフック関数を通じて周辺データと対話できるようにする、非常にエレガントで成功した PHP の設計です。 PHP 自体を上位層のアプリケーションから切り離して分離することにより、PHP は異なるアプリケーションとの互換性を考慮する必要がなくなり、アプリケーション自体も独自の特性に基づいて異なる処理方法を実装することができます。

上位層アプリケーション: これは、私たちが通常作成する PHP プログラムであり、Web サーバーを介して Web アプリケーションを実装したり、コマンドラインでスクリプト モードで実行したりするなど、さまざまな Sapi メソッドを通じてさまざまなアプリケーション モードを取得します。

PHP が車だとすると、車のフレームは PHP そのものであり、Zend は車のエンジンであり、Ext の下にあるさまざまなコンポーネントは車の車輪とみなすことができます。道路上のさまざまな種類の道路を走行でき、PHP プログラムを実行することで車が道路を走行します。したがって、高性能エンジン + 適切なホイール + 適切なトラックが必要です。

3. Sapi

前に述べたように、Sapi を使用すると、外部アプリケーションは一連のインターフェイスを通じて PHP とデータを交換し、さまざまなアプリケーションの特性に応じて特定の処理メソッドを実装できます。

apache2handler : これは、 Apache を Web サーバーとして使用し、mod_PHP モードで実行する場合の処理​​メソッドでもあり、現在最も広く使用されています。

cgi: これは、有名な fastcgi プロトコルである Web サーバーと PHP の間の別の直接対話方法であり、近年、fastcgi+PHP がますます使用されており、非同期 Web サーバーでサポートされている唯一の方法でもあります。

cli: コマンドライン呼び出し用のアプリケーションモード

4. PHP 実行プロセスとオペコード

まず、PHP コードを実行するプロセスを見てみましょう。

図からわかるように、PHP は典型的な動的言語実行プロセスを実装しています。コードの一部を取得した後、字句解析、構文解析、その他の段階を経て、ソース プログラムが命令に変換されます。 (オペコード)、ZEND 仮想マシンはこれらの命令を順番に実行して操作を完了します。 PHP 自体は C で実装されているため、最終的に呼び出される関数はすべて C の関数です。実際には、PHP は C で開発されたソフトウェアと考えることができます。

PHP 実行の中核は、オペコードである翻訳された命令です。

オペコードは、PHP プログラム実行の最も基本的な単位です。オペコードは 2 つのパラメータ (op1、op2)、戻り値、および処理関数で構成されます。 PHP プログラムは最終的に、一連のオペコード処理関数の順次実行に変換されます。

いくつかの共通処理関数:

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

5. HashTable - コアデータ構造

HashTable は、PHP のほぼすべての一般的な関数を実装するために使用されます。また、zend内では関数シンボルテーブルやグローバル変数などもハッシュテーブルに基づいて実装されています。

PHP のハッシュ テーブルには次の特徴があります:

典型的な key->value クエリをサポート

配列として使用可能

ノードの追加と削除は O(1) の複雑さ

key は混合型をサポート: 関連付けられた数値がある同時に結合インデックス配列

Value は混合型をサポートします: array ("string", 2332)

は線形トラバーサルをサポートします: foreach など

Zend ハッシュ テーブルは典型的なハッシュ テーブルのハッシュ構造を実装し、同時に提供します二重リンクリストを追加することによる二重リンクリスト 配列を順方向および逆方向に走査する機能。その構造は以下のとおりです:

ご覧のとおり、ハッシュ テーブルにはキー -> 値の形式のハッシュ構造と二重リンク リスト モードの両方があり、高速検索をサポートするのに非常に便利です。そして線形トラバース。

ハッシュ構造: Zend のハッシュ構造は典型的なハッシュ テーブル モデルであり、リンク リストを通じて競合を解決します。 Zend のハッシュ テーブルは自己成長するデータ構造であり、ハッシュ テーブルがいっぱいになると動的に 2 倍に拡張され、要素の位置が変更されることに注意してください。初期サイズは8です。さらに、キー->値の高速検索を実行する場合、zend 自体も空間を時間に交換することでプロセスを高速化するいくつかの最適化を行っています。たとえば、変数 nKeyLength は各要素で使用され、キーの長さを識別して迅速に決定します。

二重リンク リスト: Zend ハッシュ テーブルは、リンク リスト構造を介した要素の線形走査を実装します。理論的には、走査には一方向リンク リストを使用するだけで十分です。二重リンク リストを使用する主な目的は、迅速に削除して走査を回避することです。 Zend ハッシュ テーブルは複合構造であり、配列として使用すると、一般的な連想配列をサポートし、連続したインデックス番号として使用したり、2 つを混合したりすることもできます。

PHP 連想配列: 連想配列は典型的な hash_table アプリケーションです。クエリ プロセスは次の手順を実行します (コードからわかるように、これは一般的なハッシュ クエリ プロセスであり、検索を高速化するためにいくつかの高速判断が追加されています):

getKeyHashValue h;
index = n & nTableMask;
Bucket *p = arBucket[index];
while (p) {
if ((p->h == h) & (p->nKeyLength == nKeyLength)) {
RETURN p->data;
}
p=p->next;
}

PHP インデックス配列: インデックス配列は共通のものです。添字アクセスによる配列。たとえば、$arr[0]、Zend HashTable は内部で正規化され、インデックス タイプのキーにもハッシュ値と nKeyLength (0) が割り当てられます。内部メンバー変数 nNextFreeElement は現在割り当てられている最大 ID であり、プッシュするたびに自動的に 1 ずつ増加します。この正規化プロセスにより、PHP は連想データと非連想データの混合を実現できます。プッシュ操作の特殊性により、PHP 配列内のインデックス キーの順序は添え字のサイズではなく、プッシュの順序によって決まります。たとえば、 $arr[1] = 2; $arr[2] = 3; double 型のキーの場合、Zend HashTable はそれらをインデックス キーとして扱います

6。変数の型を区別します。 PHP では、変数を宣言するときに型を指定する必要はありません。 PHP は、プログラムの実行中に変数の型の暗黙的な変換を実行する場合があります。他の厳密に型指定された言語と同様に、プログラム内で明示的な型変換を実行することもできます。 PHP 変数は、単純型 (int、string、bool)、コレクション型 (配列リソース オブジェクト)、および定数 (const) に分類できます。上記の変数はすべて、内部では同じ構造 zval を持ちます。

Zval は、zend のもう 1 つの非常に重要なデータ構造で、PHP 変数の識別と実装に使用されます。そのデータ構造は次のとおりです:

Zval は主に 3 つの部分で構成されます:

type: Type で記述される変数を指定します。 (整数、文字列、配列など)

refcount&is_ref: 参照カウントの実装に使用されます (詳細は後ほど説明します)

value: 変数の実際のデータを保存するコア部分

Zvalue は実際のデータを保存するために使用されます変数の 。複数の型を格納する必要があるため、zvalue は共用体であり、弱い型付けが実装されています。

PHP 変数の型とその実際のストレージの対応関係は次のとおりです:

IS_LONG -> lvalue
IS_DOUBLE -> dvalue
IS_ARRAY -> ht
IS_STRING -> str
IS_RESOURCE -> lvalue

参照カウントはメモリのリサイクル、文字列操作などで広く使用されています。 PHP の変数は、参照カウントの典型的なアプリケーションです。 Zval の参照カウントは、メンバー変数 is_ref および ref_count によって実装されます。参照カウントを通じて、複数の変数が同じデータを共有できます。頻繁なコピーによる大量の消費を避けてください。

代入操作を実行するとき、zend は変数を同じ zval と ref_count++ に指し、設定解除操作中は対応する ref_count-1 を指します。破棄操作は、ref_count が 0 に減少した場合にのみ実行されます。参照割り当ての場合、zend は is_ref を 1 に変更します。

PHP变量通过引用计数实现变量共享数据，那如果改变其中一个变量值呢？当试图写入一个变量时，Zend若发现该变量指向的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，这个过程称为“zval分离”。可见，只有在有写操作发生时zend才进行拷贝操作，因此也叫copy-on-write(写时拷贝)

对于引用型变量，其要求和非引用型相反，引用赋值的变量间必须是捆绑的，修改一个变量就修改了所有捆绑变量。

整数、浮点数是PHP中的基础类型之一，也是一个简单型变量。对于整数和浮点数，在zvalue中直接存储对应的值。其类型分别是long和double。

从zvalue结构中可以看出，对于整数类型，和c等强类型语言不同，PHP是不区分int、unsigned int、long、long long等类型的，对它来说，整数只有一种类型也就是long。由此，可以看出，在PHP里面，整数的取值范围是由编译器位数来决定而不是固定不变的。

对于浮点数，类似整数，它也不区分float和double而是统一只有double一种类型。

在PHP中，如果整数范围越界了怎么办？这种情况下会自动转换为double类型，这个一定要小心，很多trick都是由此产生。

和整数一样，字符变量也是PHP中的基础类型和简单型变量。通过zvalue结构可以看出，在PHP中，字符串是由由指向实际数据的指针和长度结构体组成，这点和c++中的string比较类似。由于通过一个实际变量表示长度，和c不同，它的字符串可以是2进制数据（包含），同时在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，出于安全考虑，PHP在生成一个字符串时末尾仍然会添加

常见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;

现在对如下的几种字符串拼接方式做一个比较和说明：

$res = $strA.$strB和$res = “$strA$strB”
这种情况下，zend会重新malloc一块内存并进行相应处理，其速度一般
$strA = $strA.$strB
这种是速度最快的，zend会在当前strA基础上直接relloc，避免重复拷贝
$res = $intA.$intB
这种速度较慢，因为需要做隐式的格式转换，实际编写程序中也应该注意尽量避免
$strA = sprintf (“%s%s”,$strA.$strB);

这会是最慢的一种方式，因为sprintf在PHP中并不是一个语言结构，本身对于格式识别和处理就需要耗费比较多时间，另外本身机制也是malloc。不过sprintf的方式最具可读性，实际中可以根据具体情况灵活选择。

PHP的数组通过Zend HashTable来天然实现。

foreach操作如何实现？对一个数组的foreach就是通过遍历hashtable中的双向链表完成。对于索引数组，通过foreach遍历效率比for高很多，省去了key->value的查找。count操作直接调用HashTable->NumOfElements，O(1)操作。对于’123’这样的字符串，zend会转换为其整数形式。$arr[‘123’]和$arr[123]是等价的

资源类型变量是PHP中最复杂的一种变量，也是一种复合型结构。

PHP的zval可以表示广泛的数据类型，但是对于自定义的数据类型却很难充分描述。由于没有有效的方式描绘这些复合结构，因此也没有办法对它们使用传统的操作符。要解决这个问题，只需要通过一个本质上任意的标识符（label）引用指针，这种方式被称为资源。

在zval中，对于resource，lval作为指针来使用，直接指向资源所在的地址。Resource可以是任意的复合结构，我们熟悉的mysqli、fsock、memcached等都是资源。

如何使用资源：

注册：对于一个自定义的数据类型，要想将它作为资源。首先需要进行注册，zend会为它分配全局唯一标示。

获取一个资源变量：对于资源，zend维护了一个id->实际数据的hash_tale。对于一个resource，在zval中只记录了它的id。fetch的时候通过id在hash_table中找到具体的值返回。

资源销毁：资源的数据类型是多种多样的。Zend本身没有办法销毁它。因此需要用户在注册资源的时候提供销毁函数。当unset资源时，zend调用相应的函数完成析构。同时从全局资源表中删除它。

资源可以长期驻留，不只是在所有引用它的变量超出作用域之后，甚至是在一个请求结束了并且新的请求产生之后。这些资源称为持久资源，因为它们贯通SAPI的整个生命周期持续存在，除非特意销毁。很多情况下，持久化资源可以在一定程度上提高性能。比如我们常见的mysql_pconnect ,持久化资源通过pemalloc分配内存，这样在请求结束的时候不会释放。

对zend来说，对两者本身并不区分。

ローカル変数とグローバル変数は PHP でどのように実装されますか?リクエストの場合、PHP はいつでも 2 つのシンボル テーブル (symbol_table と active_symbol_table) を参照でき、前者はグローバル変数を維持するために使用されます。後者は、現在アクティブな変数シンボル テーブルを指すポインターです。プログラムが関数に入ると、zend はシンボル テーブル x をそれに割り当て、active_symbol_table を a に指します。このようにして、グローバル変数とローカル変数の区別が行われます。

変数値の取得: PHP のシンボル テーブルは hash_table を通じて実装され、取得時に対応する zval がテーブルから検索され、識別子に従って返されます。

関数でグローバル変数を使用する: 関数では、明示的に global を宣言することでグローバル変数を使用できます。 active_symbol_tableのsymbol_tableに同じ名前の変数への参照を作成します。symbol_tableに同じ名前の変数が存在しない場合は、それが最初に作成されます。