PHP的運作機制與原理(底層)

php看著很簡單，但是要深入php的運作機制與原理也不是件容易的事，我們除了會使用之外還要知道它底層的工作原理，這樣才能靈活的運用，對php運行機制有興趣的朋友一起學習吧

說到php的運作機制還要先跟大家介紹php的模組，PHP總共有三個模組：核心、Zend引擎、以及擴充層；PHP核心用來處理請求、檔案流、錯誤處理等相關操作；Zend引擎（ZE）用以將來源檔案轉換成機器語言，然後在虛擬機器上運行它；擴充層是一組函數、類別庫和流，PHP使用它們來執行一些特定的操作。例如，我們需要mysql擴展來連接MySQL資料庫；當ZE執行程式時可能會需要連接若干擴展，這時ZE將控制權交給擴展，等處理完特定任務後再返還；

最後， ZE將程式運行結果傳回PHP內核，它再將結果傳送給SAPI層，最終輸出到瀏覽器上。

PHP說簡單，但是要精通也不是一件簡單的事。我們除了會使用之外，還得知道它底層的工作原理。

PHP是一種適用於web開發的動態語言。具體點說，就是一個用C語言實作包含大量元件的軟體框架。更狹義點看，可以把它認為是強大的UI框架。

了解PHP底層實現的目的為何？動態語言要像用好首先得了解它，記憶體管理、框架模型值得我們借鑒，透過擴展開發實現更多更強大的功能，優化我們程式的效能。

1. PHP的設計概念及特點

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碟服務造成影響，當然，隨著時代發展，PHP也早已支援多執行緒模型。

弱型別語言：和C/C++、Java、C#等語言不同，PHP是一門弱型別語言。一個變數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，具體會在後面PHP變數中詳述。

引擎(Zend)+元件(ext)的模式降低內部耦合。

中間層(sapi)隔絕web server和PHP。

文法簡單靈活，沒有太多規範。缺點導致風格混雜，但再差的程式設計師也不會寫出太離譜危害全局的程式。

2. PHP的四層體系

PHP的核心架構如下圖：

從圖上可以看出，PHP從下到上是一個4層體系：

Zend引擎：Zend整體用純C實現，是PHP的核心部分，它將PHP程式碼翻譯（詞法、語法解析等一系列編譯過程）為可執行opcode的處理並實現相應的處理方法、實現了基本的資料結構（如hashtable、oo）、記憶體分配及管理、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。

Extensions：圍繞著Zend引擎，extensions透過元件式的方式提供各種基礎服務，我們常見的各種內建函數（如array系列）、標準函式庫等都是透過extension來實現，使用者也可依需求實作自己的extension以達到功能擴充、效能最佳化等目的（如貼吧正在使用的PHP中間層、富文本解析就是extension的典型應用）。

Sapi：Sapi全名為Server Application Programming Interface，也就是服務端應用程式接口，Sapi透過一系列鉤子函數，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，透過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相容，而應用程式本身也可以針對自己的特點實現不同的處理方式。

上層應用：這就是我們平時編寫的P​​HP程序，透過不同的sapi方式得到各種各樣的應用模式，如透過webserver實現web應用程式、在命令列下以腳本方式運行等等。

如果PHP是一輛車，那麼車的車架就是PHP本身，Zend是車的引擎（引擎），Ext下面的各種組件就是車的輪子，Sapi可以看做是公路，車可以跑在不同類型的公路上，而一次PHP程序的執行就是汽車跑在公路上。因此，我們需要：性能優異的引擎+合適的車輪+正確的跑道。

3. Sapi

如前所述，Sapi透過透過一系列的接口，使得外部應用可以和PHP交換資料並且可以根據不同應用特徵實現特定的處理方法，我們常見的一些sapi有：

apache2handler：這是以apache作為webserver，採用mod_PHP模式運行時的處理方式，也是現在應用最廣泛的一種。

cgi：這是webserver和PHP直接的另一種互動方式，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：命令列呼叫的應用模式

4. PHP的執行流程&opcode

我們先來看看PHP程式碼的執行所經過的流程。

從圖上可以看到，PHP實作了一個典型的動態語言執行過程：拿到一段程式碼後，經過詞法解析、語法解析等階段後，來源程式會被翻譯成一個個指令(opcodes)，然後ZEND虛擬機器順次執行這些指令完成操作。 PHP本身是用C來實現的，所以最後呼叫的也都是C的函數，實際上，我們可以把PHP看做是一個C開發的軟體。

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程式執行的最基本單位。一個opcode由兩個參數(op1,op2)、傳回值和處理函數組成。 PHP程式最終被翻譯為一組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 : 變數指派（$a=$b）

ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER：函數呼叫

#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_IDENTICA​​L_SPEC__CONST

5. HashTable — 核心資料結構

HashTable是zend的核心資料結構，在PHP裡面幾乎並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、全域變數等也都是基於hash table來實作。

PHP的hash table具有以下特點：

支援典型的key->value查詢

可以當做陣列使用

新增、刪除節點是O（1）複雜度

key支援混合型別：同時存在關聯數組合索引數組

Value支援混合型別：array (“string”,2332)

##支持線性遍歷：如foreach

Zend hash table實現了典型的hash表散列結構，同時透過附加一個雙向鍊錶，提供了正向、反向遍歷數組的功能。其架構如下圖：

可以看到，在hash table中既有key->value形式的雜湊結構，也有雙向鍊錶模式，使得它能夠非常方便的支援快速查找和線性遍歷。

雜湊結構：Zend的雜湊結構是典型的hash表模型，透過鍊錶的方式來解決衝突。需要注意的是zend的hash table是一個自增長的資料結構，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。初始大小均為8。另外，在進行key->value快速找到時候，zend本身也做了一些優化，透過空間換時間的方式加快速度。例如在每個元素中都會用一個變數nKeyLength來標識key的長度以作快速判定。

雙向鍊錶：Zend hash table透過一個鍊錶結構，實現了元素的線性遍歷。理論上，做遍歷使用單向鍊錶就夠了，之所以使用雙向鍊錶，主要目的是為了快速刪除，避免遍歷。 Zend hash table是一種複合型的結構，作為數組使用時，即支援常見的關聯數組也能夠作為順序索引數字來使用，甚至允許2者的混合。

PHP關聯陣列：關聯陣列是典型的hash_table應用。一次查詢過程經過以下幾步（從程式碼可以看出，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。）：

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

6. PHP變數

#PHP是一門弱型別語言，本身不嚴格區分變項的型別。 PHP在變數申明的時候不需要指定型別。 PHP在程式運行期間可能會進行變數類型的隱示轉換。和其他強型別語言一樣，程式中也可以進行顯示的型別轉換。 PHP變數可以分為簡單型別(int、string、bool)、集合型別(array resource object)和常數(const)。以上所有的變數在底層都是同一種結構 zval。 Zval是zend中另一個非常重要的資料結構，用來識別並實作PHP變量，其資料結構如下：

Zval主要由三個部分組成：

type：指定了變數所述的類型（整數、字串、陣列等）

refcount&is_ref ：用來實作引用計數(後面具體介紹)

value：核心部分，儲存了變數的實際資料

Zvalue是用來保存一個變數的實際資料。因為要儲存多種類型，所以zvalue是一個union，也因此實現了弱型別。

PHP變數型別與其實際儲存對應如下：

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

引用計數在記憶體回收、字串操作等地方使用非常廣泛。 PHP中的變數就是引用計數的典型應用。 Zval的引用計數透過成員變數is_ref和ref_count實現，透過引用計數，多個變數可以共享同一份資料。避免頻繁拷貝帶來的大量消耗。

在進行賦值運算時，zend將變數指向相同的zval同時ref_count++，在unset運算時，對應的ref_count-1。只有ref_count減為0時才會真正執行銷毀操作。如果是引用賦值，則zend會修改is_ref為1。

PHP變數透過引用計數實現變數共享數據，那如果改變其中一個變數值呢？當試圖寫入一個變數時，Zend若發現該變數指向的zval被多個變數共享，則為其複製一份ref_count為1的zval，並遞減原zval的refcount，這個過程稱為「zval分離」。可見，只有在有寫入操作發生時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，引用賦值的變數間必須是捆綁的，修改一個變數就修改了所有捆綁變數。

整數、浮點數是PHP中的基礎型別之一，也是簡單型變數。對於整數和浮點數，在zvalue中直接儲存對應的值。其型別分別是long和double。

從zvalue結構可以看出，對於整數型，和c等強型別語言不同，PHP是不區分int、unsigned int、long、long long等型別的，對它來說，整數只有一種類型也就是long。由此，可以看出，在PHP裡面，整數的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一種型別。

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為double類型，這個一定要小心，很多trick都是由此產生。

和整數一樣，字元變數也是PHP中的基礎型別和簡單型變數。透過zvalue結構可以看出，在PHP中，字串是由指向實際資料的指標和長度結構體組成，這點和c++中的string比較類似。由於透過一個實際變數表示長度，和c不同，它的字串可以是2進位資料（包含），同時在PHP中，求字串長度strlen是O(1)運算。

在新增、修改、追加字串操作時，PHP都會重新分配記憶體產生新的字串。最後，基於安全考慮，PHP在產生一個字串時結尾仍會加上

常見的字串拼接方式及速度比較：

假設有以下4個變數：$strA= '123'; $strB = '456'; $intA=123; intB=456;

現在對如下的幾個字串拼接方式做一個比較和說明：

#$res = $strA.$strB和$res = “$strA$strB”

這種情況下，zend會重新malloc一塊記憶體並進行對應處理，其速度一般

$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

$res = $intA.$intB

這種速度較慢，因為需要做隱式的格式轉換，實際編寫程式中也應該注意盡量避免

$strA = sprintf (“%s%s”,$strA.$strB) ;

這會是最慢的一種方式，因為sprintf在PHP中並不是一個語言結構，本身對於格式辨識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。

PHP的陣列透過Zend HashTable來天然實作。

foreach操作如何實現？對一個陣列的foreach就是透過遍歷hashtable中的雙向鍊錶完成。對於索引數組，透過foreach遍歷效率比for高很多，省去了key->value的查找。 count操作直接呼叫HashTable->NumOfElements，O(1)操作。對於'123'這樣的字串，zend會轉換為其整數形式。 $arr[‘123']和$arr[123]是等價的

資源型變數是PHP中最複雜的一種變量，也是一種複合型結構。

PHP的zval可以表示廣泛的資料類型，但是對於自訂的資料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，只需要透過一個本質上任意的標識符（label）來引用指針，這種方式稱為資源。

在zval中，對於resource，lval作為指標來使用，直接指向資源所在的位址。 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：

註冊：對於一個自訂的資料類型，要想將它作為資源。首先需要進行註冊，zend會為它指派全域唯一標示。

取得一個資源變數：對於資源，zend維護了一個id->實際資料的hash_tale。對於一個resource，在zval中只記錄了它的id。 fetch的時候透過id在hash_table中找到具體的值返回。

資源銷毀：資源的資料型別是多種多樣的。 Zend本身沒有辦法銷毀它。因此需要使用者在註冊資源的時候提供銷毀函數。當unset資源時，zend呼叫對應的函數完成析構。同時從全域資源表中刪除它。

資源可以長期駐留，不只是在所有引用它的變數超出作用域之後，甚至是在一個請求結束了並且新的請求產生之後。這些資源稱為持久資源，因為它們貫通SAPI的整個生命週期持續存在，除非刻意銷毀。很多情況下，持久化資源可以在一定程度上提高效能。例如我們常見的mysql_pconnect ,持久化資源透過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。

PHP中的局部變數和全域變數是如何實現的？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域變數。後者是指針，指向目前活動的變數符號表，當程式進入某個函數時，zend就會為它指派一個符號表x同時將active_symbol_table指向a。透過這樣的方式實現全域、局部變數的區分。

取得變數值：PHP的符號表是透過hash_table實現的，對於每個變數都分配唯一標識，取得的時候根據標識從表中找到對應zval返回。

函數中使用全域變數：在函數中，我們可以透過明確申明global來使用全域變數。在active_symbol_table中建立symbol_table中同名變數的引用，如果symbol_table中沒有同名變數則會先建立。

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