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OPCODE

執行過程

方法调用

逻辑跳转

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PHP核心分析-Zend虛擬機器詳解

黄舟

Mar 18, 2017 am 09:58 AM

PHP 是一門解釋型的語言。諸如Java、Python、Ruby、Javascript 等解釋型語言，我們寫的程式碼不會被編譯成機器碼運行，而是會被編譯中間碼運行在虛擬機器（ VM）上。運行 PHP 的虛擬機，稱為 Zend 虛擬機，今天我們將深入內核，探討 Zend 虛擬機運作的原則。

OPCODE

什麼是 OPCODE？它是一種虛擬機器能夠識別並處理的指令。 Zend 虛擬機器包含了一系列的OPCODE，透過OPCODE 虛擬機器能夠做很多事情，列舉幾個OPCODE 的例子：

ZEND_ADD 將兩個運算元相加。
ZEND_NEW 建立一個 PHP 物件。
ZEND_ECHO 將內容輸出到標準輸出。
ZEND_EXIT 退出 PHP。

諸如此類的操作，PHP 定義了186個（隨著PHP 的更新，肯定會支援更多種類的OPCODE），所有的OPCODE 的定義和實作都可以在原始碼的zend/zend_vm_def.h 檔案（這個檔案的內容不是原生的C 程式碼，而是一個模板，後面會說明原因）中查閱到。

我們來看下 PHP 是如何設計 OPCODE 資料結構：

struct _zend_op {
	const void *handler;
	znode_op op1;
	znode_op op2;
	znode_op result;
	uint32_t extended_value;
	uint32_t lineno;
	zend_uchar opcode;
	zend_uchar op1_type;
	zend_uchar op2_type;
	zend_uchar result_type;
};

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仔細觀察 OPCODE 的資料結構，是不是能找到組合語言的感覺。每一個OPCODE 都包含兩個運算元，op1和 op2，handler 指標則指向了執行該OPCODE 運算的函數，函數處理後的結果，會保存在 result 中。

我們舉一個簡單的例子：

<?php
$b = 1;
$a = $b + 2;

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我們透過 vld 擴充功能看到，經過編譯的後，上面的程式碼產生了 ZEND_ADD 指令的 OPCODE。

compiled vars:  !0 = $b, !1 = $a
line     #* E I O op                           
fetch          
ext  
return  
operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   2     0  E >   ASSIGN                                                   !0, 1
   3     1        ADD                                              ~3      !0, 2
         2        ASSIGN                                                   !1, ~3
   8     3      > RETURN                                                   1

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其中，第二行是 ZEND_ADD 指令的 OPCODE。我們看到，它接收2個運算元，op1 是變數 $b，op2 是數位常數1，回傳的結果存入了臨時變數。在 zend/zend_vm_def.h 檔案中，我們可以找到 ZEND_ADD 指令對應的函數實作：

ZEND_VM_HANDLER(1, ZEND_ADD, CONST|TMPVAR|CV, CONST|TMPVAR|CV)
{
	USE_OPLINE
	zend_free_op free_op1, free_op2;
	zval *op1, *op2, *result;

	op1 = GET_OP1_ZVAL_PTR_UNDEF(BP_VAR_R);
	op2 = GET_OP2_ZVAL_PTR_UNDEF(BP_VAR_R);
	if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_LONG)) {
		if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_LONG)) {
			result = EX_VAR(opline->result.var);
			fast_long_add_function(result, op1, op2);
			ZEND_VM_NEXT_OPCODE();
		} else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_DOUBLE)) {
			result = EX_VAR(opline->result.var);
			ZVAL_DOUBLE(result, ((double)Z_LVAL_P(op1)) + Z_DVAL_P(op2));
			ZEND_VM_NEXT_OPCODE();
		}
	} else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_DOUBLE)) {

	...
}

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上面的程式碼不是原生的 C 程式碼，而是一種範本。

為什麼要這樣做？因為 PHP 是弱型別語言，而其實作的 C 則是強型別語言。弱型別語言支援自動型別匹配，而自動型別匹配的實作方式，就像上述程式碼一樣，透過判斷來處理不同型別的參數。試想一下，如果每一個 OPCODE 處理的時候都需要判斷傳入的參數類型，那麼性能勢必成為極大的問題（一次請求需要處理的 OPCODE 可能能達到成千上萬個）。

哪有辦法嗎？我們發現在編譯的時候，已經能夠確定每個操作數的類型（可能是常數還是變數）。所以，PHP 真正執行時的 C 程式碼，不同型別運算元會分成不同的函數，讓虛擬機器直接呼叫。這部分程式碼放在了 zend/zend_vm_execute.h 中，展開後的檔案相當大，而且我們注意到還有這樣的程式碼：

if (IS_CONST == IS_CV) {

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完全沒有什麼意義是吧？不過沒有關係，C 的編譯器會自動最佳化這樣判斷。大多數情況，我們希望了解某個 OPCODE 處理的邏輯，還是透過閱讀範本檔案 zend/zend_vm_def.h 比較容易。順便說一下，根據模板產生 C 程式碼的程式就是用 PHP 實現的。

執行過程

準確的來說，PHP 的執行分成了兩大部分：編譯和執行。這裡我將不會詳細展開編譯的部分，而是把焦點放在執行的過程。

經過語法、詞法分析等一系列的編譯過程後，我們得到了一個名為 OPArray 的數據，其結構如下：

struct _zend_op_array {
	/* Common elements */
	zend_uchar type;
	zend_uchar arg_flags[3]; /* bitset of arg_info.pass_by_reference */
	uint32_t fn_flags;
	zend_string *function_name;
	zend_class_entry *scope;
	zend_function *prototype;
	uint32_t num_args;
	uint32_t required_num_args;
	zend_arg_info *arg_info;
	/* END of common elements */

	uint32_t *refcount;

	uint32_t last;
	zend_op *opcodes;

	int last_var;
	uint32_t T;
	zend_string **vars;

	int last_live_range;
	int last_try_catch;
	zend_live_range *live_range;
	zend_try_catch_element *try_catch_array;

	/* static variables support */
	HashTable *static_variables;

	zend_string *filename;
	uint32_t line_start;
	uint32_t line_end;
	zend_string *doc_comment;
	uint32_t early_binding; /* the linked list of delayed declarations */

	int last_literal;
	zval *literals;

	int  cache_size;
	void **run_time_cache;

	void *reserved[ZEND_MAX_RESERVED_RESOURCES];
};

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內容超多對吧？簡單的理解，其本質就是一個 OPCODE 數組外加執行過程中所需的環境資料的集合。介紹幾個相對來說比較重要的欄位：

opcodes 存放 OPCODE 的陣列。
filename 目前執行的腳本的檔案名稱。
function_name 目前執行的方法名稱。
static_variables 靜態變數清單。
last_try_catch try_catch_array 目前上下文中，如果出現例外 try-catch-finally 跳轉所需的資訊。
literals 所有諸如字串 foo 或數字23，這樣的常數字面量集合。

為什麼需要產生這樣龐大的資料？因為編譯時期產生的資訊越多，執行時期所需的時間就越少。

接下来，我们看下 PHP 是如何执行 OPCODE。OPCODE 的执行被放在一个大循环中，这个循环位于 zend/zend_vm_execute.h 中的 execute_ex 函数：

ZEND_API void execute_ex(zend_execute_data *ex)
{
	DCL_OPLINE

	zend_execute_data *execute_data = ex;

	LOAD_OPLINE();
	ZEND_VM_LOOP_INTERRUPT_CHECK();

	while (1) {
		if (UNEXPECTED((ret = ((opcode_handler_t)OPLINE->handler)(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS_PASSTHRU)) != 0)) {
			if (EXPECTED(ret > 0)) {
				execute_data = EG(current_execute_data);
				ZEND_VM_LOOP_INTERRUPT_CHECK();
			} else {
				return;
			}
		}
	}

	zend_error_noreturn(E_CORE_ERROR, "Arrived at end of main loop which shouldn&#39;t happen");
}

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这里，我去掉了一些环境变量判断分支，保留了运行的主流程。可以看到，在一个无限循环中，虚拟机会不断调用 OPCODE 指定的 handler 函数处理指令集，直到某次指令处理的结果 ret 小于0。注意到，在主流程中并没有移动 OPCODE 数组的当前指针，而是把这个过程放到指令执行的具体函数的结尾。所以，我们在大多数 OPCODE 的实现函数的末尾，都能看到调用这个宏：

ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();

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在之前那个简单例子中，我们看到 vld 打印出的执行 OPCODE 数组中，最后有一项指令为 ZEND_RETURN 的 OPCODE。但我们编写的 PHP 代码中并没有这样的语句。在编译时期，虚拟机会自动将这个指令加到 OPCODE 数组的结尾。ZEND_RETURN 指令对应的函数会返回 -1，判断执行的结果小于0时，就会退出循环，从而结束程序的运行。

方法调用

如果我们调用一个自定义的函数，虚拟机会如何处理呢？

<?php
function foo() {
    echo &#39;test&#39;;
}

foo();

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我们通过 vld 查看生成的 OPCODE。出现了两个 OPCODE 指令执行栈，是因为我们自定义了一个 PHP 函数。在第一个执行栈上，调用自定义函数会执行两个 OPCODE 指令：INIT_FC<a href="http://www.php.cn/wiki/1483.html" target="_blank">ALL</a> 和 DO_FCALL。

compiled vars:  none
line     
#* E I O op                           
fetch          
ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   2     0  E >   NOP
   6     1        INIT_FCALL                                               &#39;foo&#39;
         2        DO_FCALL                                      
         0
         3      > RETURN                                                   1

compiled vars:  none
line     #* E I O op                           
fetch          
ext  
return  
operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   3     0  E >   ECHO                                                     &#39;test&#39;
   4     1      > RETURN                                                   null

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其中，INIT_FCALL 准备了执行函数时所需要的上下文数据。DO_FCALL 负责执行函数。DO_FCALL 的处理函数根据不同的调用情况处理了大量逻辑，我摘取了其中执行用户定义的函数的逻辑部分：

ZEND_VM_HANDLER(60, ZEND_DO_FCALL, ANY, ANY, SPEC(RETVAL))
{
    USE_OPLINE
    zend_execute_data *call = EX(call);
    zend_function *fbc = call->func;
    zend_object *object;
    zval *ret;

    ...

    if (EXPECTED(fbc->type == ZEND_USER_FUNCTION)) {
        ret = NULL;
        if (RETURN_VALUE_USED(opline)) {
            ret = EX_VAR(opline->result.var);
            ZVAL_NULL(ret);
        }

        call->prev_execute_data = execute_data;
        i_init_func_execute_data(call, &fbc->op_array, ret);

        if (EXPECTED(zend_execute_ex == execute_ex)) {
            ZEND_VM_ENTER();
        } else {
            ZEND_ADD_CALL_FLAG(call, ZEND_CALL_TOP);
            zend_execute_ex(call);
        }
    }

    ...

    ZEND_VM_SET_OPCODE(opline + 1);
    ZEND_VM_CONTINUE();
}

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可以看到，DO_FCALL 首先将调用函数前的上下文数据保存到 call->prev_execute_data，然后调用 i_init_func_execute_data 函数，将自定义函数对象中的 op_array（每个自定义函数会在编译的时候生成对应的数据，其数据结构中包含了函数的 OPCODE 数组）赋值给新的执行上下文对象。

然后，调用 zend_execute_ex 函数，开始执行自定义的函数。zend_execute_ex 实际上就是前面提到的 execute_ex 函数（默认是这样，但扩展可能重写 zend_execute_ex 指针，这个 API 让 PHP 扩展开发者可以通过覆写函数达到扩展功能的目的，不是本篇的主题，不准备深入探讨），只是上下文数据被替换成当前函数所在的上下文数据。

我们可以这样理解，最外层的代码就是一个默认存在的函数（类似 C 语言中的 main()函数），和用户自定义的函数本质上是没有区别的。

逻辑跳转

我们知道指令都是顺序执行的，而我们的程序，一般都包含不少的逻辑判断和循环，这部分又是如何通过 OPCODE 实现的呢？

<?php
$a = 10;
if ($a == 10) {
    echo &#39;success&#39;;
} else {
    echo &#39;failure&#39;;
}

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我们还是通过 vld 查看 OPCODE（不得不说 vld 扩展是分析 PHP 的神器）。

compiled vars:  !0 = $a
line     #* E I O op                           
fetch          ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   2     0  E >   ASSIGN                                                   !0, 10
   3     1        IS_EQUAL                                         
   ~2      !0, 10
         2      > JMPZ                                                     ~2, ->5
   4     3    >   ECHO                                                     &#39;success&#39;
         4      > JMP                                                      ->6
   6     5    >   ECHO                                                     &#39;failure&#39;
   7     6    > > RETURN                                                   1

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我们看到，JMPZ 和 JMP 控制了执行流程。JMP 的逻辑非常简单，将当前的 OPCODE 指针指向需要跳转的 OPCODE。

ZEND_VM_HANDLER(42, ZEND_JMP, JMP_ADDR, ANY)
{
	USE_OPLINE

	ZEND_VM_SET_OPCODE(OP_JMP_ADDR(opline, opline->op1));
	ZEND_VM_CONTINUE();
}

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JMPZ 仅仅是多了一次判断，根据结果选择是否跳转，这里就不再重复列举了。而处理循环的方式与判断基本上是类似的。

<?php
$a = [1, 2, 3];
foreach ($a as $n) {
    echo $n;
}

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compiled vars:  !0 = $a, !1 = $n
line     #* E I O op                           
fetch          
ext  return  
operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   2     0  E >   ASSIGN                                                   !0, <array>
   3     1      > FE_RESET_R                                       
   $3      !0, ->5
         2    > > FE_FETCH_R                                               $3, !1, ->5
   4     3    >   ECHO                                                     !1
         4      > JMP                                                      ->2
         5    >   FE_FREE                                                  $3
   5     6      > RETURN                                                   1

登入後複製

循环只需要 JMP 指令即可完成，通过 FE_FETCH_R 指令判断是否已经到达数组的结尾，如果到达则退出循环。