php底層運作原理詳細介紹

PHP是一種適用於web開發的動態語言。具體點說，就是一個用C語言實作包含大量元件模組的軟體框架。是一個強大的UI框架。

簡言之；PHP動態語言執行過程：拿到一段程式碼後，經過詞法解析、語法解析等階段後，原始程式會被翻譯成一個個指令（opcodes）,然後ZEND虛擬機器順次執行這些指令完成操作。 PHP本身是用C來實現的，因此最後呼叫的也是C的函數，實際上，我們可以把PHP看做一個C開發的軟體。

一、php的設計概念及特點

1、多進程模型：由於PHP是多進程模型，不同請求間互不干涉，這樣保證了一個請求掛掉不會對全碟服務造成影響，目前PHP也早支援多執行緒模型。

2、弱型別語言：和C/C 、JAVA、C#等語言不同，PHP是一種弱型別的語言。一個變數的類型並不是一開始就確定不變的，運行中才會確定並可能發生隱式或顯示的類型轉換，這種機制的靈活性在web開發中非常方便、高效，具體會在後面PHP變數中詳述。

3、引擎（Zend） 元件（ext）的模式降低內部耦合。

4、中間層（sapi ）Sapi全名為Server Application Programming Interface 隔絕web server和PHP。

5、文法簡單靈活，沒有太多規範。缺點導致風格混雜。

二、php的四層體系

PHP的核心架構如下圖：

PHP從下到上是4層系統：

1、Zend引擎：Zend整體用純C實現，是PHP的核心部分，他將PHP程式碼翻譯（詞法、語法解析等一系列編譯過程）為可執行opcode的處理並實現對應的處理方法、實作了基本的資料結構（如：hashtable、OO）、記憶體分配機制及管理、提供了對應的api方法供外部調用，是一切的核心，所有的外圍功能均圍繞著Zend實作。

2、Extensions：圍繞著Zend引擎，extensions透過元件式的方式提供各種基礎服務，我們常見的各種內建函數（array系列）、標準函式庫等都是透過extension來實現，用戶也可以根據需要實現自己的extension的典型應用）。

3、Sapi：Sapi全名為Server Application Programming Interface，也就是服務端應用程式接口，Sapi透過一系列鉤子函數，使得PHP可以和外圍交互數據，這是PHP非常優雅和成功的設計，透過sapi成功的將PHP本身和上層應用解耦隔離，PHP可以不再考慮如何針對不同應用進行相容，而應用程式本身也可以針對自己的特點實現不同的處理方式。

4、上層應用：這就是我們平時編寫的P​​HP程序，透過不同的spai方式得到各種各樣的應用模式，如何透過webserver實現web應用、在命令列下已腳本方式運行等等。

我們需要：性能優異的引擎（Zend） 合適的車輪（Ext） 正確的跑道（Sapi）。

三、Sapi

Sapi透過一系列的接口，使得外部應用可以和PHP交換資料並且可以根據不同應用特徵實現特定的處理方法，我們常見一些sapi有：

1、apache2handler：這是以apache作為webserver,採用mod_PHP模式運行時的處理方式，也是現在應用最廣泛的一種。

2、cgi：這是webserver和PHP直接的另一種互動方式，也就是大名鼎鼎的fastcgi協議，在最近fastcgi PHP得到越來越多的應用，也是異步webserver所唯一支持的方式；典型應用nginx伺服器；fastcgi 說白點就是php的一個擴充。

    Web Server啟動時載入FastCGI進程管理器（IIS ISAPI或Apache Module)

    FastCGI進程管理器本身初始化，啟動多個CGI解釋器進程(可見多個php-cgi )並等待來自Web Server的連線。

    當客戶端要求到達Web Server時，FastCGI進程管理器選擇並連接到一個CGI解釋器。 Web server將CGI環境變數和標準輸入傳送到FastCGI子進程php-cgi。

    FastCGI子進程完成處理後將標準輸出和錯誤訊息從相同連線返回Web Server。當FastCGI子程序關閉連線時，請求便告處理完成。 FastCGI子進程接著等待並處理來自FastCGI進程管理器(運行在Web Server中)的下一個連線。在CGI模式中，php-cgi在此便退出了。

    在上述情況中，你可以想像CGI通常有多慢。每一個Web請求PHP都必須重新解析php.ini、重新載入全部擴充並重初始化全部資料結構。使用FastCGI，所有這些都只在進程啟動時發生一次。一個額外的好處是，持續資料庫連線(Persistent database connection)可以運作。

3、cli：命令列呼叫的應用模式

命令列介面（英文：command-line interface，縮寫： CLI）是在圖形使用者介面普及之前使用最廣泛的使用者介面，它通常不支援滑鼠，使用者透過鍵盤輸入指令，電腦接收到指令後，予以執行。也有人稱之為字元使用者介面（CUI）。
通常認為，命令列介面（CLI）沒有圖形使用者介面（GUI）那麼方便使用者操作。因為，命令列介面的軟體通常需要使用者記憶操作的命令，但是，由於其本身的特點，命令列介面要較圖形使用者介面節約電腦系統的資源。在熟記命令的前提下，使用命令列介面往往要較使用圖形使用者介面的操作速度要快。所以，圖形使用者介面的作業系統中，都保留著可選的命令列介面。

四、php的執行流程

#PHP動態語言執行過程：拿到一段程式碼後，經過詞法解析、語法解析等階段後，原始程式會被翻譯成一個個指令（opcodes）,然後ZEND虛擬機器順次執行這些指令完成操作。 PHP本身是用C來實現的，因此最後呼叫的也是C的函數，實際上，我們可以把PHP看做一個C開發的軟體。

PHP的執行的核心是翻譯出來的一條一條指令，也是opcode。

Opcode是PHP程式執行的最基本單位。

在電腦科學領域中，操作碼(Operation Code, OPCode)被用來描述機器語言指令中，指定要執行某種操作的那部分機器碼，構成OPCode的指令格式和規範由處理器的指令規格指定。

一個opcode由兩個參數(op1，op2)、傳回值和處理函數組成。 PHP程式最終被翻譯為一組opcode處理函數的順序執行。

常見的幾個處理函數：

ZEND_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

#五、HashTable-核心資料結構

HashTable是Zend的核心資料結構，在PHP裡面幾乎並用來實現所有常見功能，我們所知道的PHP陣列即是其典型應用，此外，在zend內部，如函數符號表、全域變數等也都是基於hash table具有以下特點：

1、支援典型的key->value查詢

2、可以當做陣列使用

3、新增、刪除節點是O（1）複雜度

4.key支援混合型別：同時存在關聯數組合索引數組

5、Value支援混合型別：array("string",2332)

6、支援線性遍歷：如foreach

Zend hash table實現了典型的hash表散列結構，同時透過附加一個雙向鍊錶，提供了正向、反向遍歷數組的功能。其架構如下圖：

可以看到：在hash table中既有key->value形式的雜湊結構，也有雙向鍊錶模式，使得它能夠非常方便的支援快速查找和線性遍歷。

1、雜湊結構：Zend的雜湊結構是典型的hash表模型，透過鍊錶的方式來解決衝突。需要注意的是zend的hash table是一個自增長的資料結構，當hash表數目滿了之後，其本身會動態以2倍的方式擴容並重新元素位置。初始大小均為8。另外，在進行 key->value快速尋找時候，zend本身也做了一些優化，透過空間換時間的方式加快速度。例如在每個元素中都會用一個變數 nKeyLength來標識key的長度以作快速判定。

2、雙向鍊錶：Zend hash table透過一個鍊錶結構，實現了元素的線性遍歷。理論上，做遍歷使用單向鍊錶就夠了，之所以使用雙向鍊錶，主要目的是為了快速刪除，避免遍歷。 Zend hash table是一種複合型的結構，作為數組使用時，即支援常見的關聯數組也能夠作為順序索引數字來使用，甚至允許2者的混合。 PHP關聯數組：關聯數組是典型的hash_table應用程式。一次查詢過程經過以下幾步（從程式碼可以看出，這是一個常見的hash查詢過程並增加一些快速判定加速查找。）：

getKeyHashValue h;
index = n & nTableMask;
Bucket *p = arBucket[index];
while (p) {
       if ((p->h == h) && (p->nKeyLength == nKeyLength)) {
              RETURN p->data;   
        }
        p=p->next;
}
RETURN FALTURE;

4、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。

六、Hash Table变量

PHP是一门弱类型语言，本身不严格区分变量的类型。PHP在变量申明的时候不需要指定类型。

PHP在程序运行期间可能进行变量类型的隐示转换。 和其他强类型语言一样，程序中也可以进行显示的类型转换。

PHP变量可以分为简单类型(int、string、bool)、集合类型(array resource object)和常量(const)。以上所有的变量在底层都是同一种结构 zval。

Zval主要由三部分组成：

type：指定了变量所述的类型（整数、字符串、数组等）

refcount&is_ref：用来实现引用计数(后面具体介绍)

value：核心部分，存储了变量的实际数据

Zvalue是用来保存一个变量的实际数据。因为要存储多种类型，所以zvalue是一个union，也由此实现了弱类型。

引用计数在内存回收、字符串操作等地方使用非常广泛。PHP中的变量就是引用计数的典型应用。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。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。

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。在PHP中，如果整数范围越界了怎么办？这种情况下会自动转换为double类型，这个一定要小心，很多trick都是由此产生。

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。在新增、修改、追加字符串操作时，PHP都会重新分配内存生成新的字符串。最后，出于安全考虑，PHP在生成一个字符串时末尾仍然会添加\0。

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：

$res = $strA.$strB和$res = “$strA$strB”
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
$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
$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
$strA = sprintf (“%s%s”,$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内存。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的数组通过Zend HashTable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]是等价的

資源類型變數是PHP中最複雜的一種變量，也是一種複合型結構。 PHP的zval可以表示廣泛的資料類型，但是對於自訂的資料類型卻很難充分描述。由於沒有有效的方式描繪這些複合結構，因此也沒有辦法對它們使用傳統的操作符。要解決這個問題，只需要透過一個本質上任意的標識符（label）來引用指針，這種方式稱為資源。

在zval中，對於resource，lval作為指標來使用，直接指向資源所在的位址。 Resource可以是任意的複合結構，我們熟悉的mysqli、fsock、memcached等都是資源。

如何使用資源：

註冊：對於一個自訂的資料類型，要想將它作為資源。首先需要進行註冊，zend會為它指派全域唯一標示。

取得一個資源變數：對於資源，zend維護了一個id->實際資料的hash_tale。對於一個resource，在zval中只記錄了它的id。 fetch的時候透過id在hash_table中找到具體的值返回。

資源銷毀：資源的資料型別是多種多樣的。 Zend本身沒有辦法銷毀它。因此需要使用者在註冊資源的時候提供銷毀函數。
當unset資源時，zend呼叫對應的函數完成析構。同時從全域資源表中刪除它。

資源可以長期駐留，不只是在所有引用它的變數超出作用域之後，甚至是在一個請求結束了並且新的請求產生之後。這些資源稱為持久資源，因為它們貫通 SAPI的整個生命週期持續存在，除非刻意銷毀。很多情況下，持久化資源可以在一定程度上提高效能。例如我們常見的mysql_pconnect ,持久化資源透過pemalloc分配內存，這樣在請求結束的時候不會釋放。對zend來說，對兩者本身並不區分。

PHP中的局部變數和全域變數是如何實現的？對於一個請求，任意時刻PHP都可以看到兩個符號表(symbol_table和 active_symbol_table)，其中前者用來維護全域變數。後者是指針，指向目前活動的變數符號表，當程式進入某個函數時，zend 就會為它指派一個符號表x同時將active_symbol_table指向a。透過這樣的方式實現全域、局部變數的區分。

取得變數值：PHP的符號表是透過hash_table實現的，對於每個變數都分配唯一標識，取得的時候根據標識從表中找到對應zval返回。

函數中使用全域變數：在函數中，我們可以透過明確申明global來使用全域變數。在active_symbol_table中建立symbol_table中同名變數的引用，如果symbol_table中沒有同名變數則會先建立。

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