強度分析: PHP のオートロード メカニズムを実装する方法

在使用PHP的OO模式开发系统时，通常大家习惯上将每个类的实现都存放在一个单独的文件里，这样会很容易实现对类进行复用，同时将来维护时也很便利

一、autoload机制概述

在使用PHP的OO模式开发系统时，通常大家习惯上将每个类的实现都存放在一个单独的文件里，这样会很容易实现对类进行复用，同时将来维护时也很便利。这也是OO设计的基本思想之一。在PHP5之前，如果需要使用一个类，只需要直接使用include/require将其包含进来即可。
下面是一个实际的例子：
 代码如下:

/* Person.class.php */ 
<?php 
class Person { 
var $name, $age; 
function construct ($name, $age) 
{ 
$this->name = $name; 
$this->age = $age; 
} 
} 
?> 
/* no_autoload.php */ 
<?php 
require_once
 ("Person.class.php"); 
$person = new Person("Altair", 6); 
var_dump ($person);

在这个例子中，no-autoload.php文件需要使用Person类，它使用了require_once将其包含，然后就可以直接使用Person类来实例化一个对象。
但随着项目规模的不断扩大，使用这种方式会带来一些隐含的问题：如果一个PHP文件需要使用很多其它类，那么就需要很多的require/include语句，这样有可能会造成遗漏或者包含进不必要的类文件。如果大量的文件都需要使用其它的类，那么要保证每个文件都包含正确的类文件肯定是一个噩梦。
PHP5为这个问题提供了一个解决方案，这就是类的自动装载(autoload)机制。autoload机制可以使得PHP程序有可能在使用类时才自动包含类文件，而不是一开始就将所有的类文件include进来，这种机制也称为lazy loading。

下面是使用autoload机制加载Person类的例子：
代码如下:

/* autoload.php */ 
<?php 
function autoload($classname) { 
require_once ($classname . "class.php"); 
} 
$person = new Person("Altair", 6); 
var_dump ($person); 
?>

通常PHP5在使用一个类时，如果发现这个类没有加载，就会自动运行autoload()函数，在这个函数中我们可以加载需要使用的类。在我们这个简单的例子中，我们直接将类名加上扩展名”.class.php”构成了类文件名，然后使用require_once将其加载。从这个例子中，我们可以看出autoload至少要做三件事情，第一件事是根据类名确定类文件名，第二件事是确定类文件所在的磁盘路径(在我们的例子是最简单的情况，类与调用它们的PHP程序文件在同一个文件夹下)，第三件事是将类从磁盘文件中加载到系统中。第三步最简单，只需要使用include/require即可。要实现第一步，第二步的功能，必须在开发时约定类名与磁盘文件的映射方法，只有这样我们才能根据类名找到它对应的磁盘文件。

因此，当有大量的类文件要包含的时候，我们只要确定相应的规则，然后在autoload()函数中，将类名与实际的磁盘文件对应起来，就可以实现lazy loading的效果。从这里我们也可以看出autoload()函数的实现中最重要的是类名与实际的磁盘文件映射规则的实现。

但现在问题来了，如果在一个系统的实现中，如果需要使用很多其它的类库，这些类库可能是由不同的开发人员编写的，其类名与实际的磁盘文件的映射规则不尽相同。这时如果要实现类库文件的自动加载，就必须在autoload()函数中将所有的映射规则全部实现，这样的话autoload()函数有可能会非常复杂，甚至无法实现。最后可能会导致autoload()函数十分臃肿，这时即便能够实现，也会给将来的维护和系统效率带来很大的负面影响。在这种情况下，难道就没有更简单清晰的解决办法了吧？答案当然是：NO! 在看进一步的解决方法之前，我们先来看一下PHP中的autoload机制是如何实现的。

二、PHP的autoload机制的实现

我们知道，PHP文件的执行分为两个独立的过程，第一步是将PHP文件编译成普通称之为OPCODE的字节码序列（实际上是编译成一个叫做zend_op_array的字节数组），第二步是由一个虚拟机来执行这些OPCODE。PHP的所有行为都是由这些OPCODE来实现的。因此，为了研究PHP中autoload的实现机制，我们将autoload.php文件编译成opcode，然后根据这些OPCODE来研究PHP在这过程中都做了些什么：

代码如下:

/* autoload.php 编译后的OPCODE列表，是使用作者开发的OPDUMP工具 
* 生成的结果，可以到网站 http://www.phpinternals.com/ 下载该软件。 
*/ 
<?php 
// require_once ("Person.php"); 
function autoload ($classname) { 
0 NOP 
0 RECV 1 
if (!class_exists($classname)) { 
1 SEND_VAR !0 
2 DO_FCALL &#39;class_exists&#39; [extval:1] 
3 BOOL_NOT $0 =>RES[~1] 
4 JMPZ ~1, ->8 
require_once ($classname. ".class.php"); 
5 CONCAT !0, &#39;.class.php&#39; =>RES[~2] 
6 INCLUDE_OR_EVAL ~2, REQUIRE_ONCE 
} 
7 JMP ->8 
} 
8 RETURN null 

$p = new Person(&#39;Fred&#39;, 35); 
1 FETCH_CLASS &#39;Person&#39; =>RES[:0] 
2 NEW :0 =>RES[$1] 
3 SEND_VAL &#39;Fred&#39; 
4 SEND_VAL 35 
5 DO_FCALL_BY_NAME [extval:2] 
6 ASSIGN !0, $1 

var_dump ($p); 
7 SEND_VAR !0 
8 DO_FCALL &#39;var_dump&#39; [extval:1] 
?>

在autoload.php的第10行代码中我们需要为类Person实例化一个对象。因此autoload机制一定会在该行编译后的opcode中有所体现。从上面的第10行代码生成的OPCODE中我们知道，在实例化对象Person时，首先要执行FETCH_CLASS指令。我们就从PHP对FETCH_CLASS指令的处理过程开始我们的探索之旅。 

通过查阅PHP的源代码(我使用的是PHP 5.3alpha2版本)可以发现如下的调用序列：

代码如下:

ZEND_VM_HANDLER(109, ZEND_FETCH_CLASS, ...) (zend_vm_def.h 1864行) 
=> zend_fetch_class (zend_execute_API.c 1434行) 
=>zend_lookup_class_ex (zend_execute_API.c 964行) 
=> zend_call_function(&fcall_info, &fcall_cache) (zend_execute_API.c 1040行)

在最后一步的调用之前，我们先看一下调用时的关键参数：

代码如下:

/* 设置autoload_function变量值为"autoload" */ 
fcall_info.function_name = &autoload_function; // Ooops, 终于发现"autoload"了 
... 
fcall_cache.function_handler = EG(autoload_func); // autoload_func !

zend_call_function是Zend Engine中最重要的函数之一，其主要功能是执行用户在PHP程序中自定义的函数或者PHP本身的库函数。zend_call_function有两个重要的指针形参数fcall_info, fcall_cache，它们分别指向两个重要的结构，一个是zend_fcall_info, 另一个是zend_fcall_info_cache。zend_call_function主要工作流程如下：如果fcall_cache.function_handler指针为NULL，则尝试查找函数名为fcall_info.function_name的函数，如果存在的话，则执行之；如果fcall_cache.function_handler不为NULL，则直接执行fcall_cache.function_handler指向的函数。

现在我们清楚了，PHP在实例化一个对象时（实际上在实现接口，使用类常数或类中的静态变量，调用类中的静态方法时都会如此），首先会在系统中查找该类（或接口）是否存在，如果不存在的话就尝试使用autoload机制来加载该类。而autoload机制的主要执行过程为：

(1) 检查执行器全局变量函数指针autoload_func是否为NULL。
(2) 如果autoload_func==NULL, 则查找系统中是否定义有autoload()函数，如果没有，则报告错误并退出。
(3) 如果定义了autoload()函数，则执行autoload()尝试加载类，并返回加载结果。
(4) 如果autoload_func不为NULL，则直接执行autoload_func指针指向的函数用来加载类。注意此时并不检查autoload()函数是否定义。
真相终于大白，PHP提供了两种方法来实现自动装载机制，一种我们前面已经提到过，是使用用户定义的autoload()函数，这通常在PHP源程序中来实现；另外一种就是设计一个函数，将autoload_func指针指向它，这通常使用C语言在PHP扩展中实现。如果既实现了autoload()函数，又实现了autoload_func(将autoload_func指向某一PHP函数)，那么只执行autoload_func函数。

三、SPL autoload机制的实现
SPL是Standard PHP Library(标准PHP库)的缩写。它是PHP5引入的一个扩展库，其主要功能包括autoload机制的实现及包括各种Iterator接口或类。SPL autoload机制的实现是通过将函数指针autoload_func指向自己实现的具有自动装载功能的函数来实现的。SPL有两个不同的函数spl_autoload, spl_autoload_call，通过将autoload_func指向这两个不同的函数地址来实现不同的自动加载机制。
spl_autoload是SPL实现的默认的自动加载函数，它的功能比较简单。它可以接收两个参数，第一个参数是$class_name，表示类名，第二个参数$file_extensions是可选的，表示类文件的扩展名，可以在$file_extensions中指定多个扩展名，护展名之间用分号隔开即可；如果不指定的话，它将使用默认的扩展名.inc或.php。spl_autoload首先将$class_name变为小写，然后在所有的include path中搜索$class_name.inc或$class_name.php文件(如果不指定$file_extensions参数的话)，如果找到，就加载该类文件。你可以手动使用spl_autoload(“Person”, “.class.php”)来加载Person类。实际上，它跟require/include差不多，不同的它可以指定多个扩展名。

怎样让spl_autoload自动起作用呢，也就是将autoload_func指向spl_autoload？答案是使用spl_autoload_register函数。在PHP脚本中第一次调用spl_autoload_register()时不使用任何参数，就可以将autoload_func指向spl_autoload。

通过上面的说明我们知道，spl_autoload的功能比较简单，而且它是在SPL扩展中实现的，我们无法扩充它的功能。如果想实现自己的更灵活的自动加载机制怎么办呢？这时，spl_autoload_call函数闪亮登场了。

我们先看一下spl_autoload_call的实现有何奇妙之处。在SPL模块内部，有一个全局变量autoload_functions，它本质上是一个HashTable，不过我们可以将其简单的看作一个链表，链表中的每一个元素都是一个函数指针,指向一个具有自动加载类功能的函数。spl_autoload_call本身的实现很简单，只是简单的按顺序执行这个链表中每个函数，在每个函数执行完成后都判断一次需要的类是否已经加载，如果加载成功就直接返回，不再继续执行链表中的其它函数。如果这个链表中所有的函数都执行完成后类还没有加载，spl_autoload_call就直接退出，并不向用户报告错误。因此，使用了autoload机制，并不能保证类就一定能正确的自动加载，关键还是要看你的自动加载函数如何实现。

では、自動ロード関数リスト autoload_functions は誰が管理しているのでしょうか?先ほど述べた spl_autoload_register 関数です。ユーザー定義のオートロード関数をこのリンク リストに登録し、autoload_func 関数ポインターを spl_autoload_call 関数にポイントすることができます (例外があり、具体的な状況については全員が考えることができることに注意してください)。 spl_autoload_unregister 関数を使用して、登録された関数を autoload_functions リンク リストから削除することもできます。

前のセクションで述べたように、autoload_func ポインタが null でない場合、autoload() 関数は自動的に実行されません。autoload_func は spl_autoload_call を指しています。仕事？もちろん、引き続き spl_autoload_register(autoload) 呼び出しを使用して、autoload_functions リンク リストに登録します。

最初のセクションの最後の質問に戻りますが、解決策はあります。各クラス ライブラリの異なる命名メカニズムに従って独自の自動ロード関数を実装し、spl_autoload_register を使用してそれらを SPL 自動ロード関数に登録します。列。 。この方法では、非常に複雑な自動ロード機能を維持する必要がありません。

4. オートロードの効率性の問題と対策

オートロードのメカニズムを使用するとき、多くの人は最初に、オートロードを使用するとシステムの効率が低下するという反応をします。効率性のためにオートロードを使用しないことを提案する人もいます。オートロード実装の原理を理解すると、オートロード メカニズム自体がシステム効率に影響を与える理由ではないことがわかります。これにより、不要なクラスがシステムにロードされなくなるため、システム効率が向上する可能性さえあります。

では、なぜ多くの人は自動ロードを使用するとシステム効率が低下するという印象を持っているのでしょうか?実際、オートロード メカニズムの効率に影響を与えるのは、まさにユーザー設計のオートロード機能です。クラス名を実際のディスク ファイルと効率的に一致させることができない場合 (これはファイル名だけでなく実際のディスク ファイルを指すことに注意してください)、システムは多くのファイル存在検証を実行する必要があります (各インクルード パスでの検証が必要です)。ご存知のとおり、ディスク I/O 操作の効率は非常に低いため、これが効率を低下させる原因となります。

したがって、システムを設計する際には、クラス名を実際のディスク ファイルにマッピングするための明確なメカニズムを定義する必要があります。このルールが単純かつ明確であればあるほど、自動ロード メカニズムはより効率的になります。自動ロード メカニズムは本質的に非効率的ではありません。効率の低下につながるのは、自動ロード機能の乱用と不適切な設計のみです。

以上が強度分析: PHP のオートロード メカニズムを実装する方法の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。