這篇文章帶給大家的內容是關於PHP7原始碼:PHP虛擬機的詳細解析,有一定的參考價值,有需要的朋友可以參考一下,希望對你有幫助。
1.從物理機說起
虛擬機也是計算機,設計思想和物理機有很多相似之處;
1.1馮諾依曼體系結構
馮諾依曼是當之無愧的數位電腦之父,目前電腦都採用的是馮諾依曼體系結構;設計思想主要包含以下幾個面向:
指令和資料不加區別混合儲存在同一個記憶體中,它們都是記憶體中的資料。現代CPU的保護模式,每個記憶體段都有段描述符,這個描述符記錄著這個記憶體段的存取權限(可讀,可寫,可執行)。這就變相的指定了哪些記憶體中儲存的是指令哪些是資料);
記憶體是按位址存取的線性編址的一維結構,每個單元的位數是固定的;
資料以二進位表示;
#指令由操作碼和運算元組成。操作碼指明本指令的操作類型,操作數指明操作數本身或操作數的位址。操作數本身並非資料型,它的資料型別由操作碼決定;任何架構的計算機都會對外提供指令集合;
運算子透過執行指令直接發出控制訊號控制計算機各項操作。由指令計數器指明待執行指令所在的記憶體位址。指令計數器只有一個,一般依序遞增,但執行順序可能會因為運算結果或當時的外界條件而改變;
##1.2組譯語言簡介
任何架構的電腦都會提供一組指令集合;指令由操作碼和運算元組成;操作碼即操作類型,操作數可以是一個立即數或一個儲存位址;每個指令可以有0、1或2個操作數;指令就是一串二進位;組譯語言是二進位指令的文字形式;指令就是一串二進位;組譯語言是二進位指令的文字形式;
push %ebx mov %eax, [%esp+8] mov %ebx, [%esp+12] add %eax, %ebx pop %ebx
1.3 函式呼叫堆疊
#過程(函數)是對程式碼的封裝,對外暴露的只是一組指定的參數和一個可選的返回值;可以在程式中不同的地方呼叫這個函數;假設過程P呼叫過程Q,Q執行後回到過程P;為了實現這個功能,需要考慮三點:
函數的呼叫與返回即對應的是一系列的入棧與出棧操作;
函數在執行時,會有自己私有的棧幀,局部變數就是分配在函數私有棧幀上的;
2.PHP虛擬機
虛擬機也是計算機,參考物理機的設計,設計虛擬機時,首先應該考慮三個要素:指令,數據存儲,函數棧幀;下面從這三點詳細分析PHP虛擬機的設計思路;2.1指
2.1.1 指令類型
任何架構的電腦都需要對外提供一組指令集,其代表電腦支援的一組操作類型;PHP虛擬機器對外提供186種指令,定義在zend_vm_opcodes.h檔案中;//加、减、乘、除等 #define ZEND_ADD 1 #define ZEND_SUB 2 #define ZEND_MUL 3 #define ZEND_p 4 #define ZEND_MOD 5 #define ZEND_SL 6 #define ZEND_SR 7 #define ZEND_CONCAT 8 #define ZEND_BW_OR 9 #define ZEND_BW_AND 10 ……………………
2.1.2.1指令的表示
#指令由操作碼和運算元組成;操作碼指明本指令的操作類型,操作數指明操作數本身或操作數的位址;PHP虛擬機定義指令格式為:操作碼操作數1 操作數2 傳回值;其使用結構體_zend_op表示一條指令:struct _zend_op { const void *handler; //指针,指向当前指令的执行函数 znode_op op1; //操作数1 znode_op op2; //操作数2 znode_op result; //返回值 uint32_t extended_value;//扩展 uint32_t lineno; //行号 zend_uchar opcode; //指令类型 zend_uchar op1_type; //操作数1的类型(此类型并不代表字符串、数组等数据类型;其表示此操作数是常量,临时变量,编译变量等) zend_uchar op2_type; //操作数2的类型 zend_uchar result_type; //返回值的类型 };
从上面可以看到,操作数使用结构体znode_op表示,定义如下:
constant、var、num等都是uint32_t类型的,这怎么表示一个操作数呢?(既不是指针不能代表地址,也无法表示所有数据类型);
其实,操作数大多情况采用的相对地址表示方式,constant等表示的是相对于执行栈帧首地址的偏移量;
另外,_znode_op结构体中有个zval *zv字段,其也可以表示一个操作数,这个字段是一个指针,指向的是zval结构体,PHP虚拟机支持的所有数据类型都使用zval结构体表示;
typedef union _znode_op { uint32_t constant; uint32_t var; uint32_t num; uint32_t opline_num; #if ZEND_USE_ABS_JMP_ADDR zend_op *jmp_addr; #else uint32_t jmp_offset; #endif #if ZEND_USE_ABS_CONST_ADDR zval *zv; #endif } znode_op;
2.2 数据存储
PHP虚拟机支持多种数据类型:整型、浮点型、字符串、数组,对象等;PHP虚拟机如何存储和表示多种数据类型?
2.1.2.2节指出结构体_znode_op代表一个操作数;操作数可以是一个偏移量(计算得到一个地址,即zval结构体的首地址),或者一个zval指针;PHP虚拟机使用zval结构体表示和存储多种数据;
struct _zval_struct { zend_value value; //存储实际的value值 union { struct { //一些标志位 ZEND_ENDIAN_LOHI_4( zend_uchar type, //重要;表示变量类型 zend_uchar type_flags, zend_uchar const_flags, zend_uchar reserved) /* call info for EX(This) */ } v; uint32_t type_info; } u1; union { //其他有用信息 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 */ } u2; };
zval.u1.type表示数据类型, zend_types.h文件定义了以下类型:
#define IS_UNDEF 0 #define IS_NULL 1 #define IS_FALSE 2 #define IS_TRUE 3 #define IS_LONG 4 #define IS_DOUBLE 5 #define IS_STRING 6 #define IS_ARRAY 7 #define IS_OBJECT 8 #define IS_RESOURCE 9 #define IS_REFERENCE 10 …………
zend_value存储具体的数据内容,结构体定义如下:
_zend_value占16字节内存;long、double类型会直接存储在结构体;引用、字符串、数组等类型使用指针存储;
代码中根据zval.u1.type字段,判断数据类型,以此决定操作_zend_value结构体哪个字段;
可以看出,字符串使用zend_string表示,数组使用zend_array表示…
typedef union _zend_value { zend_long lval; double dval; zend_refcounted *counted; zend_string *str; zend_array *arr; zend_object *obj; zend_resource *res; zend_reference *ref; zend_ast_ref *ast; zval *zv; void *ptr; zend_class_entry *ce; zend_function *func; struct { uint32_t w1; uint32_t w2; } ww; } zend_value;
如下图为PHP7中字符串结构图:
2.3 再谈指令
2.1.2.1指出,指令使用结构体_zend_op表示;其中最主要2个属性:操作函数,操作数(两个操作数和一个返回值);
操作数的类型(常量、临时变量等)不同,同一个指令对应的handler函数也会不同;操作数类型定义在 Zend/zend_compile.h文件:
//常量 #define IS_CONST (1<p>操作函数命名规则为:ZEND_[opcode]_SPEC_(操作数1类型)_(操作数2类型)_(返回值类型)_HANDLER</p><p>比如赋值语句就有以下多种操作函数:</p><pre class="brush:php;toolbar:false">ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_CONST_RETVAL_UNUSED_HANDLER, ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_TMP_RETVAL_UNUSED_HANDLER, ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_VAR_RETVAL_UNUSED_HANDLER, ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_CV_RETVAL_UNUSED_HANDLER, …
对于$a=1,其操作函数为: ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_RETVAL_UNUSED_HANDLER;函数实现为:
static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_RETVAL_UNUSED_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) { USE_OPLINE zval *value; zval *variable_ptr; SAVE_OPLINE(); //获取op2对应的值,也就是1 value = EX_CONSTANT(opline->op2); //在execute_data中获取op1的位置,也就是$a(execute_data类似函数栈帧,后面详细分析) variable_ptr = _get_zval_ptr_cv_undef_BP_VAR_W(execute_data, opline->op1.var); //赋值 value = zend_assign_to_variable(variable_ptr, value, IS_CONST); if (UNEXPECTED(0)) { ZVAL_COPY(EX_VAR(opline->result.var), value); } ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION(); }
2.4 函数栈帧
2.4.1指令集
上面分析了指令的结构与表示,PHP虚拟机使用_zend_op_array表示指令的集合:
struct _zend_op_array { ………… //last表示指令总数;opcodes为存储指令的数组; uint32_t last; zend_op *opcodes; //变量类型为IS_CV的个数 int last_var; //变量类型为IS_VAR和IS_TEMP_VAR的个数 uint32_t T; //存放IS_CV类型变量的数组 zend_string **vars; ………… //静态变量 HashTable *static_variables; //常量个数;常量数组 int last_literal; zval *literals; … };
注意: last_var代表IS_CV类型变量的个数,这种类型变量存放在vars数组中;在整个编译过程中,每次遇到一个IS_CV类型的变量(类似于$something),就会去遍历vars数组,检查是否已经存在,如果不存在,则插入到vars中,并将last_var的值设置为该变量的操作数;如果存在,则使用之前分配的操作数
2.4.2 函数栈帧
PHP虚拟机实现了与1.3节物理机类似的函数栈帧结构;
使用 _zend_vm_stack表示栈结构;多个栈之间使用prev字段形成单向链表;top和end指向栈低和栈顶,分别为zval类型的指针;
struct _zend_vm_stack { zval *top; zval *end; zend_vm_stack prev; };
考虑如何设计函数执行时候的帧结构:当前函数执行时,需要存储函数编译后的指令,需要存储函数内部的局部变量等(2.1.2.2节指出,操作数使用结构体znode_op表示,其内部使用uint32_t表示操作数,此时表示的就是当前zval变量相对于当前函数栈帧首地址的偏移量);
PHP虚拟机使用结构体_zend_execute_data存储当前函数执行所需数据;
struct _zend_execute_data { //当前指令指令 const zend_op *opline; //当前函数执行栈帧 zend_execute_data *call; //函数返回数据 zval *return_value; zend_function *func; zval This; /* this + call_info + num_args */ //调用当前函数的栈帧 zend_execute_data *prev_execute_data; //符号表 zend_array *symbol_table; #if ZEND_EX_USE_RUN_TIME_CACHE void **run_time_cache; #endif #if ZEND_EX_USE_LITERALS //常量数组 zval *literals; #endif };
函数开始执行时,需要为函数分配相应的函数栈帧并入栈,代码如下:
static zend_always_inline zend_execute_data *zend_vm_stack_push_call_frame(uint32_t call_info, zend_function *func, uint32_t num_args, zend_class_entry *called_scope, zend_object *object) { //计算当前函数栈帧需要内存空间大小 uint32_t used_stack = zend_vm_calc_used_stack(num_args, func); //根据栈帧大小分配空间,入栈 return zend_vm_stack_push_call_frame_ex(used_stack, call_info, func, num_args, called_scope, object); } //计算函数栈帧大小 static zend_always_inline uint32_t zend_vm_calc_used_stack(uint32_t num_args, zend_function *func) { //_zend_execute_data大小(80字节/16字节=5)+参数数目 uint32_t used_stack = ZEND_CALL_FRAME_SLOT + num_args; if (EXPECTED(ZEND_USER_CODE(func->type))) { //当前函数临时变量等数目 used_stack += func->op_array.last_var + func->op_array.T - MIN(func->op_array.num_args, num_args); } //乘以16字节 return used_stack * sizeof(zval); } //入栈 static zend_always_inline zend_execute_data *zend_vm_stack_push_call_frame_ex(uint32_t used_stack, uint32_t call_info, zend_function *func, uint32_t num_args, zend_class_entry *called_scope, zend_object *object) { //上一个函数栈帧地址 zend_execute_data *call = (zend_execute_data*)EG(vm_stack_top); //移动函数调用栈top指针 EG(vm_stack_top) = (zval*)((char*)call + used_stack); //初始化当前函数栈帧 zend_vm_init_call_frame(call, call_info, func, num_args, called_scope, object); //返回当前函数栈帧首地址 return call; }
从上面分析可以得到函数栈帧结构图如下所示:
总结
PHP虚拟机也是计算机,有三点是我们需要重点关注的:指令集(包含指令处理函数)、数据存储(zval)、函数栈帧;
此时虚拟机已可以接受指令并执行指令代码;
但是,PHP虚拟机是专用执行PHP代码的,PHP代码如何能转换为PHP虚拟机可以识别的指令呢——编译;
PHP虚拟机同时提供了编译器,可以将PHP代码转换为其可以识别的指令集合;
理论上你可以自定义任何语言,只要实现编译器,能够将你自己的语言转换为PHP可以识别的指令代码,就能被PHP虚拟机执行;
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