PHP底層運行機制的原理是什么

這期內(nèi)容當中小編將會給大家?guī)碛嘘PPHP底層運行機制的原理是什么，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

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PHP的設計理念及特點

• 多進程模型：由于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盤服務造成影響，當然，時代發(fā)展，PHP也早已支持多線程模型。

• 弱類型語言：和C/C++、Java、C#等語言不同，PHP是一門弱類型語言。一個變量的類型并不是一開始就確定不變，運行中才會確定并可能發(fā)生隱式或顯式的類型轉換，這種機制的靈活性在web開發(fā)中非常方便、高效。

• 引擎(Zend)+組件(ext)的模式，降低內(nèi)部耦合。

• 中間層(sapi)，隔絕web server和PHP。

• 語法簡單靈活，沒有太多規(guī)范。

PHP的核心架構

PHP核心架構如下圖，從下到上可以簡單分為四層體系：

• Zend引擎：純C實現(xiàn)，是PHP的內(nèi)核部分，它將PHP代碼翻譯（詞法、語法解析等一系列編譯過程）為可執(zhí)行opcode的處理并實現(xiàn)相應的處理方法、實現(xiàn)了基本的數(shù)據(jù)結構（如hashtable、oo）、內(nèi)存分配及管理、提供了相應的api方法供外部調用，是一切的核心，所有的外圍功能均圍繞Zend實現(xiàn)。

• Extensions：圍繞著Zend引擎，extensions通過組件式的方式提供各種基礎服務，我們常見的各種內(nèi)置函數(shù)（如array 系列）、標準庫等都是通過extension來實現(xiàn)。

• Sapi :全稱是Server Application Programming Interface服務端應用編程接口，Sapi通過一系列鉤子函數(shù)，使得PHP可以和外圍交互數(shù)據(jù)，這是PHP非常優(yōu)雅和成功的一個設計，通過 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兼容，而應用本身也可以針對自己的特點實現(xiàn)不同的處理方式。

• 
  常見的一些sapi有：
  apache2handler：這是以apache作為webserver，采用mod_PHP模式運行時候的處理方式，也是現(xiàn)在應用最廣泛的一種。
  cgi：這是webserver和PHP直接的另一種交互方式，也就是大名鼎鼎的fastcgi協(xié)議，在最近今年fastcgi+PHP得到越來越多的應用，也是異步webserver所唯一支持的方式。
  cli：命令行調用的應用模式

• 上層應用：這就是我們平時編寫的PHP程序，通過不同的sapi方式得到各種各樣的應用模式，如通過webserver實現(xiàn)web應用、在命令行下以腳本方式運行等。

PHP的執(zhí)行流程

PHP實現(xiàn)了一個典型的動態(tài)語言執(zhí)行過程：拿到一段代碼后，經(jīng)過詞法解析、語法解析等階段后，源程序會被翻譯成一個個指令 (opcodes)，然后ZEND虛擬機順次執(zhí)行這些指令完成操作。PHP本身是用C實現(xiàn)的，因此最終調用的也都是C的函數(shù)，實際上，可以把PHP看成是一個C開發(fā)的軟件。

PHP的執(zhí)行的核心是翻譯出來的一條一條指令，也即opcode。

Opcode是PHP程序執(zhí)行的最基本單位。一個opcode由兩個參數(shù)(op1,op2)、返回值和處理函數(shù)組成。PHP程序最終被翻譯為一組opcode處理函數(shù)的順序執(zhí)行。

常見的幾個處理函數(shù)：

• ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 變量分配 （ a=b)

• ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER：函數(shù)調用

• ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER：字符串拼接 a.b

• ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法運算a+2

• ZEND_IS_EQUAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 a==1

• ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 a===1

Zend引擎介紹

end引擎作為PHP的內(nèi)核，有很多經(jīng)典的設計機制，主要有以下幾個：

4.1 實現(xiàn)HashTable數(shù)據(jù)機構：

HashTable是Zend的核心數(shù)據(jù)結構。在PHP里面幾乎用來實現(xiàn)所有常見功能，我們知道的PHP數(shù)組即是其典型應用，此外，在zend內(nèi)部，如函數(shù)符號表、全局變量等也都是基于hash table來實現(xiàn)。
Zend hash table實現(xiàn)了典型的hash表散列結構，同時通過附加一個雙向鏈表，提供了正向、反向遍歷數(shù)組的功能。其結構如下圖

可以看到，在hash table中既有key->value形式的散列結構，也有雙向鏈表模式，使得它能夠非常方便的支持快速查找和線性遍歷。

散列結構：Zend的散列結構是典型的hash表模型，通過鏈表的方式來解決沖突。需要注意的是zend的hash table是一個自增長的數(shù)據(jù)結構，當hash表數(shù)目滿了之后，其本身會動態(tài)以2倍的方式擴容并重新元素位置。初始大小均為8。另外，在進行 key->value快速查找時候，zend本身還做了一些優(yōu)化，通過空間換時間的方式加快速度。比如在每個元素中都會用一個變量 nKeyLength標識key的長度以作快速判定。

雙向鏈表：Zend hash table通過一個鏈表結構，實現(xiàn)了元素的線性遍歷。理論上，做遍歷使用單向鏈表就夠了，之所以使用雙向鏈表，主要目的是為了快速刪除，避免遍歷。 Zend hash table是一種復合型的結構，作為數(shù)組使用時，即支持常見的關聯(lián)數(shù)組也能夠作為順序索引數(shù)字來使用，甚至允許2者的混合。

PHP關聯(lián)數(shù)組：關聯(lián)數(shù)組是典型的hash_table應用。一次查詢過程經(jīng)過如下幾步（從代碼可以看出，這是一個常見的hash查詢過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索引數(shù)組：索引數(shù)組就是我們常見的數(shù)組，通過下標訪問。例如 arr[0]，Zend HashTable內(nèi)部進行了歸一化處理，對于index類型key同樣分配了hash值和nKeyLength(為0)。內(nèi)部成員變量 nNextFreeElement就是當前分配到的最大id，每次push后自動加一。正是這種歸一化處理，PHP才能夠實現(xiàn)關聯(lián)和非關聯(lián)的混合。由于 push操作的特殊性，索引key在PHP數(shù)組中先后順序并不是通過下標大小來決定，而是由push的先后決定。例如 arr[1] = 2; arr[2] = 3;對于double類型的key，Zend HashTable會將他當做索引key處理

4.2 PHP變量實現(xiàn)原理：

PHP是一門弱類型語言，不嚴格區(qū)分變量的類型。PHP在變量申明的時候不需要指定類型。PHP在程序運行期間可能進行變量類型的隱示 轉換。 和其他強類型語言一樣，程序中也可以進行顯示的類型轉換。PHP變量可以分為簡單類型(int、string、bool)、集合類型(array 、resource 、object)和常量(const)。以上所有的變量在底層都是同一種結構 zval。

Zval是zend中另一個非常重要的數(shù)據(jù)結構，用來標識并實現(xiàn)PHP變量，其數(shù)據(jù)結構如下：

Zval結構體主要由三部分組成：
type：指定了變量所述的類型（整數(shù)、字符串、數(shù)組等）
refcount&is_ref：用來實現(xiàn)引用計數(shù)(后面具體介紹)
value：核心部分，存儲了變量的實際數(shù)據(jù)
Zvalue是用來保存一個變量的實際數(shù)據(jù)。因為要存儲多種類型，所以zvalue是一個union，也由此實現(xiàn)了弱類型。

PHP變量類型和其實際存儲對應關系如下：

IS_LONG   -> lvalue
IS_DOUBLE -> dvalue
IS_ARRAY  -> ht
IS_STRING -> str
IS_RESOURCE -> lvalue

4.2.1 整數(shù)、浮點數(shù)變量
整數(shù)、浮點數(shù)是PHP中的基礎類型之一，也是一個簡單型變量。對于整數(shù)和浮點數(shù)，在zvalue中直接存儲對應的值。其類型分別是long和double。

從zvalue結構中可以看出，對于整數(shù)類型，和c等強類型語言不同，PHP是不區(qū)分int、unsigned int、long、long long等類型的，對它來說，整數(shù)只有一種類型也就是long。由此，可以看出，在PHP里面，整數(shù)的取值范圍是由編譯器位數(shù)來決定而不是固定不變的。
對于浮點數(shù)，類似整數(shù)，它也不區(qū)分float和double而是統(tǒng)一只有double一種類型。

在PHP中，如果整數(shù)范圍越界了怎么辦？這種情況下會自動轉換為double類型，這個一定要小心，很多trick都是由此產(chǎn)生。

4.2.2 字符變量

和整數(shù)一樣，字符變量也是PHP中的基礎類型和簡單型變量。通過zvalue結構可以看出，在PHP中，字符串是由由指向實際數(shù)據(jù)的指針和長度結 構體組成，這點和c++中的string比較類似。由于通過一個實際變量表示長度，和c不同，它的字符串可以是2進制數(shù)據(jù)（包含\0），同時在PHP中， 求字符串長度strlen是O(1)操作。

在新增、修改、追加字符串操作時，PHP都會重新分配內(nèi)存生成新的字符串。最后，出于安全考慮，PHP在生成一個字符串時末尾仍然會添加\0

常見的字符串拼接方式及速度比較：

假設有如下4個變量：strA=‘123’; strB = ‘456’; intA=123; intB=456;
現(xiàn)在對如下的幾種字符串拼接方式做一個比較和說明：

1 res = strA.strB和res = “strAstrB”
這種情況下，zend會重新malloc一塊內(nèi)存并進行相應處理，其速度一般。
2 strA = strA.strB
這種是速度最快的，zend會在當前strA基礎上直接relloc，避免重復拷貝
3 res = intA.intB
這種速度較慢，因為需要做隱式的格式轉換，實際編寫程序中也應該注意盡量避免
4 strA = sprintf (“%s%s”,strA，strB);
這會是最慢的一種方式，因為sprintf在PHP中并不是一個語言結構，本身對于格式識別和處理就需要耗費比較多時間，另外本身機制也是malloc。不過sprintf的方式最具可讀性，實際中可以根據(jù)具體情況靈活選擇。

4.2.3 數(shù)組變量

PHP的數(shù)組通過Zend HashTable來天然實現(xiàn)。

foreach操作如何實現(xiàn)？對一個數(shù)組的foreach就是通過遍歷hashtable中的雙向鏈表完成。對于索引數(shù)組，通過foreach遍 歷效率比for高很多，省去了key->value的查找。count操作直接調用 HashTable->NumOfElements，O(1)操作。對于’123’這樣的字符串，zend會轉換為其整數(shù)形 式。arr[‘123’]和arr[123]是等價的

4.2.4 資源變量

資源類型變量是PHP中最復雜的一種變量，也是一種復合型結構。

PHP的zval可以表示廣泛的數(shù)據(jù)類型，但是對于自定義的數(shù)據(jù)類型卻很難充分描述。由于沒有有效的方式描繪這些復合結構，因此也沒有辦法對它們使用傳統(tǒng)的操作符。要解決這個問題，只需要通過一個本質上任意的標識符（label）引用指針，這種方式被稱為資源。

在zval中，對于resource，lval作為指針來使用，直接指向資源所在的地址。Resource可以是任意的復合結構，我們熟悉的MySQLi、fsock、memcached等都是資源。

如何使用資源：

1 注冊：對于一個自定義的數(shù)據(jù)類型，要想將它作為資源。首先需要進行注冊，zend會為它分配全局唯一標示。

2 獲取一個資源變量：對于資源，zend維護了一個id->實際數(shù)據(jù)的hash_tale。對于一個

resource，在zval中只記錄了它的id。fetch的時候通過id在hash_table中找到具體的值返回。
3 資源銷毀：資源的數(shù)據(jù)類型是多種多樣的。Zend本身沒有辦法銷毀它。因此需要用戶在注冊資源的時候提供銷毀函數(shù)。當unset資源時，zend調用相應的函數(shù)完成析構。同時從全局資源表中刪除它。

資源可以長期駐留，不只是在所有引用它的變量超出作用域之后，甚至是在一個請求結束并且新的請求產(chǎn)生之后。這些資源稱為持久資源，因為它們貫通 SAPI的整個生命周期持續(xù)存在，除非特意銷毀。很多情況下，持久化資源可以在一定程度上提高性能。比如我們常見的mysql_pconnect ,持久化資源通過pemalloc分配內(nèi)存，這樣在請求結束的時候不會釋放。 對zend來說，對兩者本身并不區(qū)分。

4-3 . PHP變量管理——引用計數(shù)和寫時拷貝：

引用計數(shù)在內(nèi)存回收、字符串操作等地方使用非常廣泛。Zval的引用計數(shù)通過成員變量is_ref和ref_count實現(xiàn)，通過引用計數(shù)，多個變量可以共享同一份數(shù)據(jù)。避免頻繁拷貝帶來的大量消耗。在進行賦值操作時，zend將變量指向相同的zval同時ref_count++，在unset操作時，對應的ref_count-1。只有ref_count減為0時才會真正執(zhí)行銷毀操作。如果是引用賦值，則zend會修改is_ref為1。

PHP變量通過引用計數(shù)實現(xiàn)變量共享數(shù)據(jù)，那如果改變其中一個變量值呢？當試圖寫入一個變量時，Zend若發(fā)現(xiàn)該變量指向的zval被多個變量共享，則為其復制一份ref_count為1的zval，并遞減原zval的refcount，這個過程稱為“zval分離”?？梢姡挥性谟袑懖僮靼l(fā)生時 zend才進行拷貝操作，因此也叫copy-on-write(寫時拷貝)

對于引用型變量，其要求和非引用型相反，引用賦值的變量間必須是捆綁的，修改一個變量就修改了所有捆綁變量。

4-4 . PHP局部變量和全局變量的實現(xiàn)：

PHP中的局部變量和全局變量是如何實現(xiàn)的？對于一個請求，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局變量。后者是一個指針，指向當前活動的變量符號表，當程序進入到某個函數(shù)中時，zend 就會為它分配一個符號表x同時將active_symbol_table指向a。通過這樣的方式實現(xiàn)全局、局部變量的區(qū)分。

獲取變量值：PHP的符號表是通過hash_table實現(xiàn)的，對于每個變量都分配唯一標識，獲取的時候根據(jù)標識從表中找到相應zval返回。

函數(shù)中使用全局變量：在函數(shù)中，我們可以通過顯式申明global來使用全局變量。在active_symbol_table中創(chuàng)建symbol_table中同名變量的引用（引用變量的值要更新大家會一起更新），如果symbol_table中沒有同名變量則會先創(chuàng)建。

上述就是小編為大家分享的PHP底層運行機制的原理是什么了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進行理解。如果想知道更多相關知識，歡迎關注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

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