一步步入门编写PHP扩展

1、写在最前

随着互联网飞速发展，lamp架构的流行，php支持的扩展也越来越多，这样直接促进了php的发展。

但是php也有脚本语言不可避免的问题，性能比例如C等编译型语言相差甚多，所以在考虑性能问题的时候最好还是通过php扩展来解决。

那么，怎么去做一个php扩展呢。下面从一个例子开始（本文章需要C基础）。

2、解决一个问题

在一个系统中，如果经常要求一个数组的平方和，我们可以这么写。

<?php
	function array_square_sum($data){
		$sum = 0;
		foreach($data as $value){
			$sum += $value * $value;
		}
		return $sum;
	}

实际执行的时候，php zend引擎会把这段话翻译成C语言，每次都需要进行内存分配。所以性能比较差。进而，基于性能上的考虑，我们可以编写一个扩展来做这个事情。

3、编写扩展

构建一个扩展，至少需要2个文件。一个是Configulator文件，它会告诉编译器编译这个扩展至少需要哪些依赖库；第二个是实际执行的文件。

3.1 生成框架

听起来很复杂，实际上有一个工具可以帮我们搞定一个扩展的框架。在php源代码里面有个工具ext_skel，他可以帮我们生成扩展框架。

liujun@ubuntu:~/test/php-5.5.8/ext$ ls ext_skel
ext_skel

现在我们利用它生成扩展 array_square_sum。($表示提示符命令)

$ ./ext_skel --extname=array_square_sum
Creating directory array_square_sum
Creating basic files: config.m4 config.w32 .svnignore array_square_sum.c php_array_square_sum.h CREDITS EXPERIMENTAL tests/001.phpt array_square_sum.php [done].

To use your new extension, you will have to execute the following steps:

1.  $ cd ..
2.  $ vi ext/array_square_sum/config.m4
3.  $ ./buildconf
4.  $ ./configure --[with|enable]-array_square_sum
5.  $ make
6.  $ ./php -f ext/array_square_sum/array_square_sum.php
7.  $ vi ext/array_square_sum/array_square_sum.c
8.  $ make

Repeat steps 3-6 until you are satisfied with ext/array_square_sum/config.m4 and
step 6 confirms that your module is compiled into PHP. Then, start writing
code and repeat the last two steps as often as necessary.

执行命令之后，终端告诉我们怎么去生产新的扩展。查看一下文件内容，会发现多了几个比较重要的文件config.m4, php_array_square_sum.h，array_square_sum.c，下面会一一叙述。

liujun@ubuntu:~/test/php-5.5.8/ext$ ll array_square_sum/
total 44
drwxr-xr-x  3 liujun liujun 4096 Jan 29 15:40 ./
drwxr-xr-x 80 liujun liujun 4096 Jan 29 15:40 ../
-rw-r--r--  1 liujun liujun 5548 Jan 29 15:40 array_square_sum.c
-rw-r--r--  1 liujun liujun  532 Jan 29 15:40 array_square_sum.php
-rw-r--r--  1 liujun liujun 2354 Jan 29 15:40 config.m4
-rw-r--r--  1 liujun liujun  366 Jan 29 15:40 config.w32
-rw-r--r--  1 liujun liujun   16 Jan 29 15:40 CREDITS
-rw-r--r--  1 liujun liujun    0 Jan 29 15:40 EXPERIMENTAL
-rw-r--r--  1 liujun liujun 3112 Jan 29 15:40 php_array_square_sum.h
-rw-r--r--  1 liujun liujun   16 Jan 29 15:40 .svnignore
drwxr-xr-x  2 liujun liujun 4096 Jan 29 15:40 tests/

3.2 配置文件config.m4

dnl PHP_ARG_WITH(array_square_sum, for array_square_sum support,
dnl Make sure that the comment is aligned:
dnl [  --with-array_square_sum             Include array_square_sum support])

去掉dnl

PHP_ARG_WITH(array_square_sum, for array_square_sum support,
Make sure that the comment is aligned:
[  --with-array_square_sum             Include array_square_sum support])

这是./configure时能够调用enable-sample选项的最低要求.PHP_ARG_ENABLE的第二个参数将在./configure处理过程中到达这个扩展的配置文件时显示. 第三个参数将在终端用户执行./configure --help时显示为帮助信息

3.3 头文件

修改php_array_square_sum.h，把confirm_array_square_sum_compiled改成confirm_array_square_sum,这个为我们以后实际调用的函数名字，当然你也可以直接加入函数confirm_array_square_sum，而不删除confirm_array_square_sum_compiled。

PHP_FUNCTION(confirm_array_square_sum_compiled);

该成

PHP_FUNCTION(array_square_sum);

3.3 源代码

修改 array_square_sum.c，把confirm_array_square_sum_compiled改成confirm_array_square_sum，这个是注册这个扩展的函数，如果在3.2中直接加入了confirm_array_square_sum，在这一步也直接加入confirm_array_square_sum就可以了。

const zend_function_entry array_square_sum_functions[] = { 
    PHP_FE(confirm_array_square_sum_compiled,   NULL)       /* For testing, remove later. */
    PHP_FE_END  /* Must be the last line in array_square_sum_functions[] */
};

改成

const zend_function_entry array_square_sum_functions[] = { 
    PHP_FE(array_square_sum,    NULL)       /* For testing, remove later. */
    PHP_FE_END  /* Must be the last line in array_square_sum_functions[] */
};

然后最为关键的一个步骤，重写confirm_array_square_sum，这个时候只需要把confirm_array_square_sum_compiled重写成confirm_array_square_sum(3.1中没有删除confirm_array_square_sum_compiled，就需要加入confirm_array_square_sum就好了)。

PHP_FUNCTION(confirm_array_square_sum_compiled)

重写为

 PHP_FUNCTION(array_square_sum)
{
    zval* array_data;
    HashTable *ht_data;
    int ret;
    char* key;
    uint index;
    zval **pdata;
    double sum = 0;

    if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS() TSRMLS_CC, "a", &array_data) == FAILURE) {
        return;
    }   

    ht_data = Z_ARRVAL_P(array_data);
    zend_hash_internal_pointer_reset(ht_data);
    while ( HASH_KEY_NON_EXISTANT != (ret = zend_hash_get_current_key(ht_data, &key, &index, 0)) ) { 
        ret = zend_hash_get_current_data(ht_data, &pdata);
    
        if( Z_TYPE_P(*pdata) == IS_LONG){
            sum +=  Z_LVAL_P(*pdata) *  Z_LVAL_P(*pdata);
        }else {
            RETURN_FALSE;
        }   
        zend_hash_move_forward(ht_data);
    }   
    zend_hash_internal_pointer_end(Z_ARRVAL_P(array_data));
    RETVAL_DOUBLE(sum);
}

php是一个弱类型语言，他的数据都存在结构体zval里面(具体请看更加专业资料，如"php扩展开发.pdf")。

typedef union _zval {
	long lval;
	double dval;
	struct {
		char *val;
		int len;
	} str;
	HashTable *ht;
	zend_object_value obj;
} zval;

为了获得函数传递的参数，可以使用zend_parse_parameters()API函数。下面是该函数的原型：

zend_parse_parameters(int num_args TSRMLS_DC, char *type_spec, …);

zend_parse_parameters()函数的前几个参数我们直接用内核里宏来生成便可以了，形式为：ZEND_NUM_ARGS() TSRMLS_CC，注意两者之间有个空格，但是没有逗号。从名字可以看出，ZEND_NUM_ARGS()代表这参数的个数。后面紧跟着是常见的参数类型（和C语言的printf类似），后面就是常见的参数列表。
     下表列出了常见的参数类型。

参数类型	对象C类型	说明
l	long	整数
b	bool	布尔
s	char*	字符串
d	double	浮点数
a	array(zval*)	数组
z	zval*	不确定性zval

此外数组是一个大型的hashtable来实现的，所以zend_hash_get_current_key可以遍历数组，使用宏Z_LVAL_P(zval*)获得实际的值。最终可以将结果放入到sum里面。RETVAL_DOUBLE(value)也是一个宏，返回结果为double,值则为value，具体可以参见" php扩展开发.pdf".

最终完成了这个主函数的开发。

3.4 生成configure文件

然后执行 ~/php/bin/phpize

/home/liujun/php/bin/phpize

Configuring for:
PHP Api Version:         20121113
Zend Module Api No:      20121212
Zend Extension Api No:   220121212

可以发现array_square_sum出现可执行脚本configure。

3.5 编译

编译的时候最好带上php-config PATH，因为系统默认的php-config-path可能不是你目前使用的php路径。

liujun@ubuntu:~/test/php-5.5.8/ext/array_square_sum$ ./configure --with-php-config=/home/liujun/php/bin/php-config

编译如果成功，终端会有如下提示：

creating libtool
appending configuration tag "CXX" to libtool
configure: creating ./config.status
config.status: creating config.h
config.status: config.h is unchanged

查看array_square_sum目录的module目录，会发现里面生成array_square_sum.so，这个就是我们需要的扩展。

liujun@ubuntu:~/test/php-5.5.8/ext/array_square_sum$ ls modules/
array_square_sum.la  array_square_sum.so

4、使用扩展

4.1、配置扩展

修改php的配置php.ini，加入一下配置内容。

[array_square_sum]
extension=array_square_sum.so

4.2、加入module

php的扩展一般在 $PHP_PATH/lib/php/extensions/no-debug-non-zts-yyyymmdd，如果找不到，请自行百度or Google. 里面有很多.so文件。

把3.5生产的array_sum_square.so拷贝进去即可。

如果使用fastcgi模式，需要重启php，这样我们php就应该有扩展array_square_sum，具体可以通过查看phpinfo(不会请自行百度orGoogle).

4.2、编写代码

既然说编写扩展可以提高运行效率，因此在这里，我们通过使用扩展和直接使用php代码来进行对比，测试性能。多次实验可以减少误差，所以进行2000次对100000个数字求平方和。代码如下:

<?php
    $data = array();
    $max_index = 100000;
    $test_time = 2000;
    for($i=0; $i<$max_index; $i++){
        $data[] = $i; 
    }   

    $php_test_time_start = time();
    php_test($test_time, $data);
    $php_test_time_stop = time();
    echo "php test ext time is ". ($php_test_time_stop - $php_test_time_start). "\n";

    $c_test_time_start = time();
    c_test($test_time, $data);
    $c_test_time_stop = time();
    echo "php test time is ". ($c_test_time_stop - $c_test_time_start). "\n";
    
    function php_test($test_time, $test_data){
        for($i=0; $i<$test_time; $i++){
            $sum = 0;
            foreach($test_data as $data){
                $sum += $data * $data;
            }   
        }   
    }   
    
    function c_test($test_time, $test_data){
        for($i=0; $i<$test_time; $i++){
            $sum = array_square_sum($test_data);
        }   
    }

测试结果如下：

liujun@ubuntu:~/php$ ~/php/bin/php test.php 
php test ext time is 30
php test time is 2

可以看到扩展要比直接使用php快15倍。随着业务逻辑变得更加复杂，这个差异化会越大。

那么直接使用c语言来做这个事情呢。下面也给一个代码来测试下（测试条件完全一致）：

#include<stdio.h>
#include<sys/time.h>
#include<unistd.h>

#define TEST_TIME 2000
#define MAX_INDEX 100000

int main()
{
    int data[MAX_INDEX];
    double sum = 0;

    for(int i=0; i<MAX_INDEX; i++){
        data[i] = i;
    }   

    struct timeval start;
    struct timeval end;
    
    gettimeofday(&start,NULL);
    
    for(int i=0; i<TEST_TIME; i++){
        for(int j=0; j<MAX_INDEX; j++){
            sum += data[j] * data[j];
        }   
    }   
    gettimeofday(&end,NULL);
    
    double time=(end.tv_sec-start.tv_sec) + (end.tv_usec-start.tv_usec) * 1.0 /1000000;
    printf("total time is %lf\n", time );
    printf("sum time is %lf\n", sum);
    return 0;
}

执行查看效果，可以看出直接使用C的时间只有0.261746，是使用C扩展的13.09%，是直接使用php的0.87%。当然如果涉及到IO等复杂操作，C/C++会比php快上万倍（测试过）。

liujun@ubuntu:~/php$ g++ test.cpp  -O2 -o test
liujun@ubuntu:~/php$ ./test 
total time is 0.261746
sum time is 36207007178615872.000000

因此，在实际对性能要求非常高的服务，如索引、分词等，可以使用C做一套底层服务，php去进行封装调用。