PHP7原始碼：PHP虛擬機器的詳細解析
- 不言原創
- 2018-08-08 14:04:584537瀏覽
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
push、mov、add、pop等就是操作碼；
�x暫存器；[%esp 12]記憶體位址；
運算元只是一塊可存取資料的儲存區；運算元本身並無資料型別，它的資料型別由操作碼決定；如movb傳送字節，movw傳送字，movl傳送雙字等
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：- 指令跳轉：進入過程Q的時候，程式計數器必須被設定為Q的程式碼的起始位址；在返回時，程式計數器需要設定為P中呼叫Q後面那條指令的位址；
- 資料傳遞：P能夠提供Q一個或多個參數，Q能夠向P傳回一個值；
- 記憶體分配與釋放：Q開始執行時，可能需要為局部變數分配記憶體空間，而在返回前，又需要釋放這些記憶體空間；
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 指令
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
};
2.1.2.2 運算元的表示####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；
相關文章推薦：
以上是PHP7原始碼：PHP虛擬機器的詳細解析的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！