php底层的运行机制和原理

php设计的理念及特点

• PHP 被设计为一种适用于web开发的动态脚本语言，同时具有解释型和弱类型，底层完全由C语言实现。

  • 解释型即程序边运行边解释，一行一行运行。
  • 弱类型即变量类型一开始并不是确定的，可能在运行过程中发生隐式或显式转换，这是php的底层的zval结构体决定的，这种机制的灵活性在web开发中非常方便、高效。

• 多进程模型：由于PHP是多进程模型，不同请求间互不干涉，这样保证了一个请求挂掉不会全盘服务造成影响， 当然，随着时代发展，PHP也早已经支持多线程模型。

• 引擎（Zend） + 组件（ext）的模式降低内部耦合。

• 中间层（sapi）隔绝web server 和 PHP。

• 语法简单灵活，没有太多规范。

PHP 的四层体系

PHP的核心架构如下图：

从上图可以看出，PHP从下到上是一个4层体系：

• Zend引擎：Zend整体用纯C实现，是PHP的内核部分，它将PHP代码翻译（词法、语法解析等一系列编译过程）为可执行opcode的处理并实现相应的处理方法、实现了基本的数据结构（如hashtable、oo）、内存分配及管理、提供了相应的api方法供外部调用，是一切的核心，所有的外围功能均围绕Zend实现。

• Extensions：围绕着Zend引擎，extensions通过组件式的方式提供各种基础服务，我们常见的各种内置函数（如array系列）、标准库等都是通过extension来实现，用户也可以根据需要实现自己的extension以达到功能扩展、性能优化等目的（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全称是Server Application Programming Interface，也就是服务端应用编程接口，Sapi通过一系列钩子函数，使得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：这就是我们平时编写的PHP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、在命令行下以脚本方式运行等等。

如果PHP是一辆车，那么车的框架就是PHP本身，Zend是车的引擎（发动机），Ext下面的各种组件就是车的轮子，Sapi可以看做是公路，车可以跑在不同类型的公路上，而一次PHP程序的执行就是汽车跑在公路上。因此，我们需要：性能优异的引擎+合适的车轮+正确的跑道。

Sapi

    如前所述，Sapi通过通过一系列的接口，使得外部应用可以和PHP交换数据并可以根据不同应用特点实现特定的处理方法，我们常见的一些sapi有：

• apache2handler：这是以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直接的另一种交互方式，也就是大名鼎鼎的fastcgi协议，在最近今年fastcgi+PHP得到越来越多的应用，也是异步webserver所唯一支持的方式。
• cli：命令行调用的应用模式

PHP的执行流程&opcode

我们先来看看PHP代码的执行所经过的流程。

从图上可以看到，PHP实现了一个典型的动态语言执行过程：拿到一段代码后，经过此法解析、语法解析等阶段后，源程序会被翻译成一个个指令（opcodes），然后Zend虚拟机顺次执行这些指令完成操作。PHP本身是用C实现的，因此最终调用的也都是C的函数，实际上，我们可以把PHP看做是一个C开发的软件。

• PHP的执行的核心是翻译出来一条一条指令，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程勋最终被翻译为一组opcode处理函数的顺序执行。

• 常见的几个处理函数

PHP

1    ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 变量分配 （$a=$b）
2    ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER：函数调用
3    ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER：字符串拼接 $a.$b
4    ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法运算 $a+2
5    ZEND_IS_EQUAL_SPEC_CV_CONST：判断相等 $a==1
6    ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST：判断相等 $a===1

Hash Table —— 核心数据结构

HashTable 是Zend的核心数据结构，在PHP里面几乎被用来实现所有常见的功能，我们知道的PHP数组即是其典型应用，此外，在zend内部，如函数符号表、全局变量等也都是基于Hash Table来实现。

• PHP的hash table 具有如下特点：
  • 支持典型的key——> value查询
  • 可以当做数组使用
  • 添加、删除节点是 O（1）复杂度
  • key 支持混合类型：同时存在关联数组和索引数组
  • value 支持混合类型：array("string", 23332)
  • 支持线性遍历：如 foreach

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。其结构如下图：

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。）：

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;

• 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

PHP 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、float、bool)、集合类型(string、array resource object)和常量(const)。

PHP没有真正的float和int，PHP中的浮点数float 在底层是double，整型变量是 long int

PHP的字符串是二进制安全的，字符串中有len字段用来表示长度

PHP的数组是hash table，是线程安全的，不允许空值，但在迭代是会被锁住，数组过大时性能会急剧下降。

以上所有的变量在底层都是同一种结构 zval结构体。

zval是zend中另一个非常重要的数据结构，用来标识并实现PHP变量，其数据结构如下：

struct _zval_struct {
    zend_value        value;            /* value */
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    type,            /* active type  主要是这个字段*/
                zend_uchar    type_flags,
                zend_uchar    const_flags,
                zend_uchar    reserved)        /* call info for EX(This) */
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u1;
    union {
        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 */
        uint32_t     extra;                /* not further specified */
    } u2;
};

Zval 主要由三部分组成：

联合体：value 用来存放变量的值，是一个叫做zend_value的联合体

联合体：u1 标明变量的属性

联合体：u2 标明变量被使用的情况

• 结构体和联合体
• struct(结构体) 和 union(联合体)
• 结构体是8字节对齐，不够8字节的部分则空出来；
• 联合体共用一个8字节，共享这8字节的内存，后使用的会覆盖先使用的
• 结构体和联合体在形式上是相似的

变量的值实际存储在zend_value的联合体中，也就是value联合体, 联合体比结构体要节省很多空间，也由此实现了弱类型。

如果

typedef union _zend_value {
    zend_long         lval;                /* long value */     // 整型
    double            dval;                /* double value */   // 浮点型
    zend_refcounted  *counted;
    zend_string      *str;                                             // 字符串
    zend_array       *arr;                                            // 数组
    zend_object      *obj;                                           // 对象
    zend_resource    *res;                                        // 资源
    zend_reference   *ref;                                         // 引用
    zend_ast_ref     *ast;
    zval             *zv;
    void             *ptr;
    zend_class_entry *ce;                                        // 类
    zend_function    *func;                                        // 函数
    struct {
        uint32_t w1;
        uint32_t w2;
    } ww;
} zend_value;

PHP变量类型用 u1 联合体来标示，其中u1结构如下

    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    type,            /* active type  主要是这个字段*/
                zend_uchar    type_flags,
                zend_uchar    const_flags,
                zend_uchar    reserved)        /* call info for EX(This) */
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u1;

和 value结构体 实际存储 对应关系

type的值如下：

IS_UNDEEF    -> 0             // 未定义类型
IS_NULL         -> 1              // null类型
IS_FALSE       -> 2              // bool 假
IS_TRUE        -> 3              // bool 真
IS_LONG        -> 4              // 整型（长）
IS_DOUBLE    -> 5             // 浮点 （double）
IS_STRING     ->6              // string
IS_ARRAY       -> 7             // 数组
IS_OBJECT     -> 8             // 对象
IS_RESOURCE   -> 9         // 资源
IS_REFERENCE ->10        // 引用

当知道u1中type的值之后，我们去 _zend_value 也是就 value联合体中取对应类型的值

比如，type 是 IS_LONG ，zval 就是整型，我们就去value中取 lval，这就是一个php的整型变量，一共占8+4+4=16字节，直接复制。