1.从物理机说起
虚拟机也是计算机，设计思想和物理机有很多相似之处；
1.1冯诺依曼体系结构
冯·诺依曼是当之无愧的数字计算机之父，当前计算机都采用的是冯诺依曼体系结构；设计思想主要包含以下几个方面：
指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中，它们都是内存中的数据。现代CPU的保护模式，每个内存段都有段描述符，这个描述符记录着这个内存段的访问权限(可读,可写,可执行)。这就变相的指定了哪些内存中存储的是指令哪些是数据）；
存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的；
数据以二进制表示；
指令由操作码和操作数组成。操作码指明本指令的操作类型,操作数指明操作数本身或者操作数的地址。操作数本身并无数据类型，它的数据类型由操作码确定；任何架构的计算机都会对外提供指令集合；
运算器通过执行指令直接发出控制信号控制计算机各项操作。由指令计数器指明待执行指令所在的内存地址。指令计数器只有一个，一般按顺序递增，但执行顺序可能因为运算结果或当时的外界条件而改变；
1.2汇编语言简介
任何架构的计算机都会提供一组指令集合；
指令由操作码和操作数组成；操作码即操作类型，操作数可以是一个立即数或者一个存储地址；每条指令可以有0、1或2个操作数；
指令就是一串二进制；汇编语言是二进制指令的文本形式；
push %ebx mov %eax, [%esp+8] mov %ebx, [%esp+12] add %eax, %ebx pop %ebx
push、mov、add、pop等就是操作码；
%ebx寄存器；[%esp+12]内存地址；
操作数只是一块可存取数据的存储区；操作数本身并无数据类型，它的数据类型由操作码确定；
如movb传送字节，movw传送字，movl传送双字等
1.3 函数调用栈
过程（函数）是对代码的封装，对外暴露的只是一组指定的参数和一个可选的返回值；可以在程序中不同的地方调用这个函数；假设过程P调用过程Q，Q执行后返回过程P；为了实现这一功能，需要考虑三点：
指令跳转：进入过程Q的时候，程序计数器必须被设置为Q的代码的起始地址；在返回时，程序计数器需要设置为P中调用Q后面那条指令的地址；
数据传递：P能够向Q提供一个或多个参数，Q能够向P返回一个值；
内存分配与释放：Q开始执行时，可能需要为局部变量分配内存空间，而在返回前，又需要释放这些内存空间；
大多数的语言过程调用都采用了栈数据结构提供的内存管理机制；如下图所示：
函数的调用与返回即对应的是一系列的入栈与出栈操作；
函数在执行时，会有自己私有的栈帧，局部变量就是分配在函数私有栈帧上的；
平时遇到的栈溢出就是因为调用函数层级过深，不断入栈导致的；
2.PHP虚拟机
虚拟机也是计算机，参考物理机的设计，设计虚拟机时，首先应该考虑三个要素：指令，数据存储，函数栈帧；
下面从这三点详细分析PHP虚拟机的设计思路；
2.1指
2.1.1 指令类型
任何架构的计算机都需要对外提供一组指令集，其代表计算机支持的一组操作类型；
PHP虚拟机对外提供186种指令，定义在zend_vm_opcodes.h文件中；
//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
指令由操作码和操作数组成；操作码指明本指令的操作类型，操作数指明操作数本身或者操作数的地址；
PHP虚拟机定义指令格式为：操作码 操作数1 操作数2 返回值；其使用结构体_zend_op表示一条指令：
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 操作数的表示
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<<0) //临时变量，用于操作的中间结果；不能被其他指令对应的handler重复使用 #define IS_TMP_VAR (1<<1) //这个变量并不是PHP代码中声明的变量，常见的是返回的临时变量，比如$a=time()， 函数time返回值的类型就是IS_VAR，这种类型的变量是可以被其他指令对应的handler重复使用的 #define IS_VAR (1<<2) #define IS_UNUSED (1<<3) /* Unused variable */ //编译变量；即PHP中声明的变量； #define IS_CV (1<<4) /* Compiled variable */
操作函数命名规则为：ZEND_[opcode]_SPEC_(操作数1类型)_(操作数2类型)_(返回值类型)_HANDLER
比如赋值语句就有以下多种操作函数：
ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_CONST_RETVAL_UNUSED_HANDLER, ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_TMP_RETVAL_UNUSED_HANDLER, ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_VAR_RETVAL_UNUSED_HANDLER, ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_CV_RETVAL_UNUSED_HANDLER, …
对于$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；
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