PHP核心分析-Zend虛擬機器詳解
- 黄舟原創
- 2017-03-18 09:58:272213瀏覽
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;
};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;
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)) {
...
}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) {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];
};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_catchtry_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't happen");
}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();
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 'test';
}
foo();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 'foo'
2 DO_FCALL
0
3 > RETURN 1
compiled vars: none
line #* E I O op
fetch
ext
return
operands
-------------------------------------------------------------------------------------
3 0 E > ECHO 'test'
4 1 > RETURN null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();
}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 'success';
} else {
echo 'failure';
}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 'success'
4 > JMP ->6
6 5 > ECHO 'failure'
7 6 > > RETURN 1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();
}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;
}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。
结语
通过了解 Zend 虚拟机，相信你对 PHP 是如何运行的，会有更深刻的理解。想到我们写的一行行代码，最后机器执行的时候会变成数不胜数的指令，每个指令又建立在复杂的处理逻辑之上。那些从前随意写下的代码，现在会不会在脑海里不自觉的转换成 OPCODE 再品味一番呢？
以上是PHP核心分析-Zend虛擬機器詳解的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！