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PHP执行原理
php是一门应用非常简单,开发效率极高的一门语言,其弱类型的变量能省去程序员大量的定义变量、类型转换等的时间和精力。它是一种适用于web开发的动态语言。
多进程模型:这样能做到进程间互相不受影响,对于进程的资源利用更快速、便捷
弱类型语言:和强类型语言C、C++、java等语言不同,php中变量的类型并不是一开始就确定的,他是在运行时才确定的,可以隐式或显式的对其进行类型转换,这就使其在开发中非常的灵活,程序员无需关注变量类型的问题
Zend引擎+ 组件(ext)的模式降低内部的耦合
中间层(sapi)隔绝web server 和php
语法简单灵活,规范少。这一点就有利有弊了。。。
php从上到下一共四层体系:
Zend引擎:Zend整体用C实现,是php的内核部分,它将php的代码翻译成可执行的opcode的,处理并实现相应的处理方法(原理:鸟哥的博客)、实现了基本的数据结构、内存分配及管理、提供了相应api方法供外部使用,是一切的核心。
Extensions:围绕着Zend引擎,extensions通过组件的方式提供各种基础服务,常用的内置函数array、标准库等都是通过extension来实现的,用户也可以根据需要实现自己的extension以达到功能扩展等目的如贴吧正在使用的 PHP中间层、富文本解析就是extension的典型应用)。
Sapi:Sapi全称Server Application Programing Interface, 也就是服务端应用编程接口,Sapi通过一些列钩子函数,使php可以和外围交互数据,这是PHP非常优雅和成功的一个设计,通过 sapi成功的将PHP本身和上层应用解耦隔离,PHP可以不再考虑如何针对不同应用进行兼容,而应用本身也可以针对自己的特点实现不同的处理方式。
上层应用:这就是程序员编写的应用程序,通过不同的sapi方式得到各种各样的应用模式,如通过webserver实现web应用,在命令行下以脚本的方式运行等等
如前所属,Sapi通过一些列的接口,使外部应用可以和php交换数据并可以根据不同的应用特点实现特定的处理方法,常见的sapi有:
apache2handler:以apache作为webserver,采用MOD_PHP模式运行时候的处理方式,也是现在应用最广泛的一种
cgi:这是webserver和php的另外一种交互方式,也就是fastcgi协议
cli:命令调试应用模式
从图中可以看出,php通过Zend引擎实现了一个典型的动态语言的执行过程:获取一段代码片段,经过词法解析、语法解析等阶段,源程序被翻译成一个个指令(opcodes),然后Zend虚拟机顺序执行这些指令。PHP本身是用C语言实现的,因此最终调用的也是C语言的函数。
PHP的执行的核心是翻译出来的一条一条指令,也即opcode
Opcode是PHP程序执行的最基本单位。一个opcode由两个参数(op1,op2)、返回值和处理函数组成。PHP程序最终被翻译为一组opcode处理函数的顺序执行。
常用的几个函数:
END_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
Zend引擎作为php的内核,主要的设计机制有:
HashTable是Zend的核心数据结构,在php里面几乎用来实现所有功能,php的数据array()就是典型的应用。此外在Zend内部,如函数符号表、全景变量都是通过HashTable来实现的。
Zend hash table 实现了典型的hash表散列结构,同时通过附加一个双向链表,提供了正向、反向、遍历数组的功能,结构如图:
可以看到,在hash table中既有key->value形式的散列结构,也有双向链表模式,使得它能够非常方便的支持快速查找和线性遍历。
散列结构:Zend的散列结构是典型的hash表模型,通过链表的方式来解决冲突。需要注意的是zend的hash table是一个自增长的数据结构,当hash表数目满了之后,其本身会动态以2倍的方式扩容并重新元素位置。初始大小均为8。另外,在进行 key->value快速查找时候,zend本身还做了一些优化,通过空间换时间的方式加快速度。比如在每个元素中都会用一个变量 nKeyLength标识key的长度以作快速判定。
双向链表:Zend hash table通过一个链表结构,实现了元素的线性遍历。理论上,做遍历使用单向链表就够了,之所以使用双向链表,主要目的是为了快速删除,避免遍历。 Zend hash table是一种复合型的结构,作为数组使用时,即支持常见的关联数组也能够作为顺序索引数字来使用,甚至允许2者的混合。
PHP关联数组:关联数组是典型的hash_table应用。一次查询过程经过如下几步(从代码可以看出,这是一个常见的hash查询过程并增加一些快速判定加速查找):
01 getKeyHashValue h; 02 index = n & nTableMask; 03 Bucket *p = arBucket[index]; 04 while (p) { 05 if ((p->h == h) && (p->nKeyLength == nKeyLength)) { 06 RETURN p->data; 07 } 08 p=p->next; 09 } 10 RETURN FALTURE;
PHP索引数组:索引数组就是我们常见的数组,通过下标访问。例如 arr[0],Zend HashTable内部进行了归一化处理,对于index类型key同样分配了hash值和nKeyLength(为0)。内部成员变量 nNextFreeElement就是当前分配到的最大id,每次push后自动加一。正是这种归一化处理,PHP才能够实现关联和非关联的混合。由于 push操作的特殊性,索引key在PHP数组中先后顺序并不是通过下标大小来决定,而是由push的先后决定。例如 arr[1] = 2; arr[2] = 3;对于double类型的key,Zend HashTable会将他当做索引key处理
5.2 PHP变量的实现原理
PHP是一门弱类型语言,不严格区分变量的类型。PHP的变量可以分为简单类型(int、sting、bool)、集合类型(array, resource, object) 和常量(const),所有的变量在底层都所以同一种结构zval
zval是zend中非常重要的数据结构,用来标示并实现php的变量,其数据结构如下:
struct _zval_struct { zvalue_value value; /* value */ zend_uint refcount__gc; /* variable ref count */ zend_uchar type; /* active type */ zend_uchar is_ref__gc; /* if it is a ref variable */ }; typedef struct _zval_struct zval;
其中,
zval_value value是变量的实际值,具体来说是一个zvalue_value联合体:
typedef union _zvalue_value { long lval; /* long value */ double dval; /* double value */ struct { /* string */ char *val; int len; } str; HashTable *ht; /* hash table value,used for array */ zend_object_value obj; /* object */ } zvalue_value;
zend_uint refcount__gc是一个计数器,用来保存多少变量(或者符号,symbols )指向了该zval。在变量生成时,其refcount=1,典型的赋值操作如$a = $b会令zval的refcount加1,而unset操作会相应的减1。在PHP5.3之前,使用引用计数的机制来实现GC,如果一个zval的refcount较少到0,那么Zend引擎会认为没有任何变量指向该zval,因此会释放该zval所占的内存空间。但,事情有时并不会那么简单。后面我们会看到,单纯的引用计数机制无法GC掉循环引用的zval,即使指向该zval的变量已经被unset,从而导致了内存泄露(Memory Leak)。
zend_uchar type该字段用于表明变量的实际类型。PHP中的变量包括四种标量类型(bool,int,float,string),两种复合类型(array, object)和两种特殊的类型(resource 和NULL)。在zend内部,这些类型对应于下面的宏(代码位置 phpsrc/Zend/zend.h)
#define IS_NULL 0 #define IS_LONG 1 #define IS_DOUBLE 2 #define IS_BOOL 3 #define IS_ARRAY 4 #define IS_OBJECT 5 #define IS_STRING 6 #define IS_RESOURCE 7 #define IS_CONSTANT 8 #define IS_CONSTANT_ARRAY 9 #define IS_CALLABLE 10
is_ref__gc这个字段用于标记变量是否是引用变量。对于普通的变量,该值为0,而对于引用型的变量,该值为1。这个变量会影响zval的共享、分离等
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。在php中如果整数越界了会发生什么?php会自动给整数转换成浮点数类型
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
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0),同时在PHP中, 求字符串长度strlen是O(1)操作
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:
1 res = strA.strB和res = “strAstrB”
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。
2 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
3 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
4 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的数组是通过Zend Hash Table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]
引用计数在内存回收、字符串操作等地方使用非常广泛。Zval的引用计数通过成员变量is_ref和ref_count实现,通过引用计数,多个变量可以共享同一份数据。避免频繁拷贝带来的大量消耗。在进行赋值操作时,zend将变量指向相同的zval同时ref_count++,在unset操作时,对应的ref_count-1。只有ref_count减为0时才会真正执行销毁操作。如果是引用赋值,则zend会修改is_ref为1。
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。
PHP中的局部变量和全局变量是如何实现的?对于一个请求,任意时刻PHP都可以看到两个符号表(symbol_table和 active_symbol_table),其中前者用来维护全局变量。后者是一个指针,指向当前活动的变量符号表,当程序进入到某个函数中时,zend 就会为它分配一个符号表x同时将active_symbol_table指向a。通过这样的方式实现全局、局部变量的区分。
获取变量值:PHP的符号表是通过hash_table实现的,对于每个变量都分配唯一标识,获取的时候根据标识从表中找到相应zval返回。
函数中使用全局变量:在函数中,我们可以通过显式申明global来使用全局变量。在active_symbol_table中创建symbol_table中同名变量的引用(引用变量的值要更新大家会一起更新),如果symbol_table中没有同名变量则会先创建。
参考:
http://www.php.cn/
http://www.php.cn/
[http://www.php.cn/
PHP执行原理
php是一门应用非常简单,开发效率极高的一门语言,其弱类型的变量能省去程序员大量的定义变量、类型转换等的时间和精力。它是一种适用于web开发的动态语言。
多进程模型:这样能做到进程间互相不受影响,对于进程的资源利用更快速、便捷
弱类型语言:和强类型语言C、C++、java等语言不同,php中变量的类型并不是一开始就确定的,他是在运行时才确定的,可以隐式或显式的对其进行类型转换,这就使其在开发中非常的灵活,程序员无需关注变量类型的问题
Zend引擎+ 组件(ext)的模式降低内部的耦合
中间层(sapi)隔绝web server 和php
语法简单灵活,规范少。这一点就有利有弊了。。。
php从上到下一共四层体系:
Zend引擎:Zend整体用C实现,是php的内核部分,它将php的代码翻译成可执行的opcode的,处理并实现相应的处理方法(原理:鸟哥的博客)、实现了基本的数据结构、内存分配及管理、提供了相应api方法供外部使用,是一切的核心。
Extensions:围绕着Zend引擎,extensions通过组件的方式提供各种基础服务,常用的内置函数array、标准库等都是通过extension来实现的,用户也可以根据需要实现自己的extension以达到功能扩展等目的如贴吧正在使用的 PHP中间层、富文本解析就是extension的典型应用)。
Sapi:Sapi全称Server Application Programing Interface, 也就是服务端应用编程接口,Sapi通过一些列钩子函数,使php可以和外围交互数据,这是PHP非常优雅和成功的一个设计,通过 sapi成功的将PHP本身和上层应用解耦隔离,PHP可以不再考虑如何针对不同应用进行兼容,而应用本身也可以针对自己的特点实现不同的处理方式。
上层应用:这就是程序员编写的应用程序,通过不同的sapi方式得到各种各样的应用模式,如通过webserver实现web应用,在命令行下以脚本的方式运行等等
如前所属,Sapi通过一些列的接口,使外部应用可以和php交换数据并可以根据不同的应用特点实现特定的处理方法,常见的sapi有:
apache2handler:以apache作为webserver,采用MOD_PHP模式运行时候的处理方式,也是现在应用最广泛的一种
cgi:这是webserver和php的另外一种交互方式,也就是fastcgi协议
cli:命令调试应用模式
从图中可以看出,php通过Zend引擎实现了一个典型的动态语言的执行过程:获取一段代码片段,经过词法解析、语法解析等阶段,源程序被翻译成一个个指令(opcodes),然后Zend虚拟机顺序执行这些指令。PHP本身是用C语言实现的,因此最终调用的也是C语言的函数。
PHP的执行的核心是翻译出来的一条一条指令,也即opcode
Opcode是PHP程序执行的最基本单位。一个opcode由两个参数(op1,op2)、返回值和处理函数组成。PHP程序最终被翻译为一组opcode处理函数的顺序执行。
常用的几个函数:
END_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
Zend引擎作为php的内核,主要的设计机制有:
HashTable是Zend的核心数据结构,在php里面几乎用来实现所有功能,php的数据array()就是典型的应用。此外在Zend内部,如函数符号表、全景变量都是通过HashTable来实现的。
Zend hash table 实现了典型的hash表散列结构,同时通过附加一个双向链表,提供了正向、反向、遍历数组的功能,结构如图:
可以看到,在hash table中既有key->value形式的散列结构,也有双向链表模式,使得它能够非常方便的支持快速查找和线性遍历。
散列结构:Zend的散列结构是典型的hash表模型,通过链表的方式来解决冲突。需要注意的是zend的hash table是一个自增长的数据结构,当hash表数目满了之后,其本身会动态以2倍的方式扩容并重新元素位置。初始大小均为8。另外,在进行 key->value快速查找时候,zend本身还做了一些优化,通过空间换时间的方式加快速度。比如在每个元素中都会用一个变量 nKeyLength标识key的长度以作快速判定。
双向链表:Zend hash table通过一个链表结构,实现了元素的线性遍历。理论上,做遍历使用单向链表就够了,之所以使用双向链表,主要目的是为了快速删除,避免遍历。 Zend hash table是一种复合型的结构,作为数组使用时,即支持常见的关联数组也能够作为顺序索引数字来使用,甚至允许2者的混合。
PHP关联数组:关联数组是典型的hash_table应用。一次查询过程经过如下几步(从代码可以看出,这是一个常见的hash查询过程并增加一些快速判定加速查找):
01 getKeyHashValue h; 02 index = n & nTableMask; 03 Bucket *p = arBucket[index]; 04 while (p) { 05 if ((p->h == h) && (p->nKeyLength == nKeyLength)) { 06 RETURN p->data; 07 } 08 p=p->next; 09 } 10 RETURN FALTURE;
PHP索引数组:索引数组就是我们常见的数组,通过下标访问。例如 arr[0],Zend HashTable内部进行了归一化处理,对于index类型key同样分配了hash值和nKeyLength(为0)。内部成员变量 nNextFreeElement就是当前分配到的最大id,每次push后自动加一。正是这种归一化处理,PHP才能够实现关联和非关联的混合。由于 push操作的特殊性,索引key在PHP数组中先后顺序并不是通过下标大小来决定,而是由push的先后决定。例如 arr[1] = 2; arr[2] = 3;对于double类型的key,Zend HashTable会将他当做索引key处理
5.2 PHP变量的实现原理
PHP是一门弱类型语言,不严格区分变量的类型。PHP的变量可以分为简单类型(int、sting、bool)、集合类型(array, resource, object) 和常量(const),所有的变量在底层都所以同一种结构zval
zval是zend中非常重要的数据结构,用来标示并实现php的变量,其数据结构如下:
struct _zval_struct { zvalue_value value; /* value */ zend_uint refcount__gc; /* variable ref count */ zend_uchar type; /* active type */ zend_uchar is_ref__gc; /* if it is a ref variable */ }; typedef struct _zval_struct zval;
其中,
zval_value value是变量的实际值,具体来说是一个zvalue_value联合体:
typedef union _zvalue_value { long lval; /* long value */ double dval; /* double value */ struct { /* string */ char *val; int len; } str; HashTable *ht; /* hash table value,used for array */ zend_object_value obj; /* object */ } zvalue_value;
zend_uint refcount__gc是一个计数器,用来保存多少变量(或者符号,symbols )指向了该zval。在变量生成时,其refcount=1,典型的赋值操作如$a = $b会令zval的refcount加1,而unset操作会相应的减1。在PHP5.3之前,使用引用计数的机制来实现GC,如果一个zval的refcount较少到0,那么Zend引擎会认为没有任何变量指向该zval,因此会释放该zval所占的内存空间。但,事情有时并不会那么简单。后面我们会看到,单纯的引用计数机制无法GC掉循环引用的zval,即使指向该zval的变量已经被unset,从而导致了内存泄露(Memory Leak)。
zend_uchar type该字段用于表明变量的实际类型。PHP中的变量包括四种标量类型(bool,int,float,string),两种复合类型(array, object)和两种特殊的类型(resource 和NULL)。在zend内部,这些类型对应于下面的宏(代码位置 phpsrc/Zend/zend.h)
#define IS_NULL 0 #define IS_LONG 1 #define IS_DOUBLE 2 #define IS_BOOL 3 #define IS_ARRAY 4 #define IS_OBJECT 5 #define IS_STRING 6 #define IS_RESOURCE 7 #define IS_CONSTANT 8 #define IS_CONSTANT_ARRAY 9 #define IS_CALLABLE 10
is_ref__gc这个字段用于标记变量是否是引用变量。对于普通的变量,该值为0,而对于引用型的变量,该值为1。这个变量会影响zval的共享、分离等
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。在php中如果整数越界了会发生什么?php会自动给整数转换成浮点数类型
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
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0),同时在PHP中, 求字符串长度strlen是O(1)操作
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:
1 res = strA.strB和res = “strAstrB”
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。
2 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
3 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
4 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的数组是通过Zend Hash Table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]
引用计数在内存回收、字符串操作等地方使用非常广泛。Zval的引用计数通过成员变量is_ref和ref_count实现,通过引用计数,多个变量可以共享同一份数据。避免频繁拷贝带来的大量消耗。在进行赋值操作时,zend将变量指向相同的zval同时ref_count++,在unset操作时,对应的ref_count-1。只有ref_count减为0时才会真正执行销毁操作。如果是引用赋值,则zend会修改is_ref为1。
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。
PHP中的局部变量和全局变量是如何实现的?对于一个请求,任意时刻PHP都可以看到两个符号表(symbol_table和 active_symbol_table),其中前者用来维护全局变量。后者是一个指针,指向当前活动的变量符号表,当程序进入到某个函数中时,zend 就会为它分配一个符号表x同时将active_symbol_table指向a。通过这样的方式实现全局、局部变量的区分。
获取变量值:PHP的符号表是通过hash_table实现的,对于每个变量都分配唯一标识,获取的时候根据标识从表中找到相应zval返回。
函数中使用全局变量:在函数中,我们可以通过显式申明global来使用全局变量。在active_symbol_table中创建symbol_table中同名变量的引用(引用变量的值要更新大家会一起更新),如果symbol_table中没有同名变量则会先创建。
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