PHP底層運作機制詳解

小云云
發布: 2023-03-21 21:32:01
原創
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本文我們主要和大家分享PHP底層運作機制詳解,首先我們會和大家分享PHP的設計理念及特點, PHP的四層體係等,希望能幫助大家。

1. PHP的設計理念及特點

  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,當然,隨著時代發展,PHP也早已支援多執行緒模型。

  2. 弱型別語言:和C/C++、Java、C#等語言不同,PHP是一門弱型別語言。一個變數的類型並不是一開始就確定不變,運行中才會確定並可能發生隱式或顯式的類型轉換,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. 解釋語言:PHP正因為與C/C++、Java、C#等編譯性語言在運作步驟不同,PHP需要先經過詞法,語法分析等解析為編譯性語言,才能運行!所以在追求高效能等大型應用或大數據運算就不適合PHP,雖然0.001秒和0.1秒對瀏覽器使用者來說沒有什麼差別,但對於其它領域就不行

  4. 引擎(Zend)+元件(ext)的模式降低內部耦合。

  5. 中間層(sapi)隔絕web server和PHP。

  6. 文法簡單又靈活,沒有太多規範。缺點導致風格混雜,但再差的程式設計師也不會寫出太離譜危害全局的程式。

2. PHP的四層體系

PHP的核心架構如下圖:

從圖上可以看出,PHP從下到上是一個4層體系:

  • Zend引擎:Zend整體用純C實現,是PHP的核心部分,它將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的處理並實現相應的處理方法、實現了基本的資料結構(如hashtable、oo)、記憶體分配及管理、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著Zend實現。

  • 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(如array系列)、標準函式庫等都是透過extension來實現,使用者也可以根據需要實作自己的extension以達到功能擴充、效能最佳化等目的(如貼吧正在使用的PHP中間層、富文本解析就是extension的典型應用)。

  • 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非常優雅和成功的一個設計,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。

  • 上層應用程式:這就是我們平時編寫的P​​HP程序,透過不同的sapi方式得到各種各樣的應用模式,如透過webserver實現web應用程式、在命令列下以腳本方式運行等等。

如果PHP是一輛車,那麼車的框架就是PHP本身,Zend是車的引擎(引擎),Ext下面的各種組件就是車的輪子,Sapi可以看做是公路,車子可以跑在不同類型的公路上,而一次PHP程序的執行就是汽車跑在公路上。因此,我們需要:性能優異的引擎+合適的車輪+正確的跑道。

3. Sapi

如前所述,Sapi透過透過一系列的接口,使得外部應用程式可以和PHP交換資料並可以根據不同應用特徵實現特定的處理方法,我們常見的一些sapi有:

  • 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。

  • 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,在最近今年fastcgi+PHP得到越來越多的應用,也是異步webserver所唯一支援的方式。

  • cli:命令列呼叫的應用模式

#4. PHP的執行流程&opcode

我們先來看看PHP程式碼的執行所經過的流程。

從圖上可以看到,PHP實作了一個典型的動態語言執行過程: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,所以最後呼叫的也都是C的函數,實際上,我們可以把PHP看做是一個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,也即opcode。

Opcode是PHP程式執行的最基本單位。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:

PHP


5. 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,我們知道的PHP數組即是其典型應用,此外,在zend內部,如函數符號表、全域變數等也都是基於hash table來實作。

PHP的hash table具有以下特點:

  • 支援典型的key->value查詢

  • 可以當做數組使用

  • 新增、刪除節點是O(1)複雜度

  • key支援混合型別:同時存在關聯數組合索引陣列

  • Value支援混合型別:array (“string”,2332)

  • 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。

  • 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快速找到時候,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。

  • 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關聯陣列:關聯陣列是典型的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。):

PHP

1

##2

#3

4

5

6

ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 變數分配($a=$b)

ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER:函數呼叫

ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER:字串拼接$a.$b

ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法運算

##ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDL_CV: 加法運算等運算元運算1

ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST:判斷相等$a===1

1

2

3

4

#5

6

7

8

9

10

#getKeyHashValueh;

index=n&nTableMask ;

Bucket*p=arBucket[index];

while(p){

if((p->h==h)&(p-> ;nKeyLength==nKeyLength)){

RETURNp->data;  

}

p=p->next;

}

RETURNFALTURE;


  • PHP索引數組:索引數組就是我們常見的數組,透過下標存取。例如 $arr[0],Zend HashTable內部進行了歸一化處理,對於index類型key同樣分配了hash值和nKeyLength(為0)。內部成員變數nNextFreeElement就是目前被指派的最大id,每次push後自動加一。正是這種歸一化處理,PHP才能夠實現關聯和非關聯的混合。由於push操作的特殊性,索引key在PHP數組中先後順序並不是透過下標大小來決定,而是由push的先後決定。例如 $arr[1] = 2; $arr[2] = 3;對於double類型的key,Zend HashTable會將他當做索引key處理

6. PHP變數

PHP是一門弱型別語言,本身不嚴格區分變項的型別。 PHP在變數申明的時候不需要指定型別。 PHP在程式運行期間可能會進行變數類型的隱示轉換。和其他強型別語言一樣,程式中也可以進行顯示的型別轉換。 PHP變數可以分為簡單型別(int、string、bool)、集合型別(array resource object)和常數(const)。以上所有的變數在底層都是同一種結構 zval。

Zval是zend中另一個非常重要的資料結構,用來識別並實作PHP變量,其資料結構如下:

Zval主要由三部分組成:

  • type:指定了變數所述的類型(整數、字串、陣列等)

  • refcount&is_ref:用來實現引用計數(後面具體介紹)

  • value:核心部分,儲存了變數的實際資料

Zvalue是用來保存一個變數的實際數據。因為要儲存多種類型,所以zvalue是一個union,也因此實現了弱型別。

PHP變數類型和其實際儲存對應如下:

PHP

1

2

3

4

5

IS_LONG   -> lvalue

IS_DOUBLE -> dvalue

IS_ARRAY  -> ht

IS_STRING -> str

IS_RESOURCE -> lvalue

#########

引用計數在記憶體回收、字串操作等地方使用非常廣泛。 PHP中的變數就是引用計數的典型應用。 Zval的引用計數透過成員變數is_ref和ref_count實現,透過引用計數,多個變數可以共享同一份資料。避免頻繁拷貝帶來的大量消耗。

在進行賦值運算時,zend將變數指向相同的zval同時ref_count++,在unset運算時,對應的ref_count-1。只有ref_count減為0時才會真正執行銷毀操作。如果是引用賦值,則zend會修改is_ref為1。

PHP變數透過引用計數實現變數共享數據,那如果改變其中一個變數值呢?當試圖寫入一個變數時,Zend若發現該變數指向的zval被多個變數共享,則為其複製一份ref_count為1的zval,並遞減原zval的refcount,這個過程稱為「zval分離」。可見,只有在有寫入操作發生時zend才進行拷貝操作,因此也叫copy-on-write(寫時拷貝)

對於引用型變量,其要求和非引用型相反,引用賦值的變數間必須是捆綁的,修改一個變數就修改了所有捆綁變數。

整數、浮點數是PHP中的基礎型別之一,也是簡單型變數。對於整數和浮點數,在zvalue中直接儲存對應的值。其型別分別是long和double。

從zvalue結構可以看出,對於整數型,和c等強型別語言不同,PHP是不區分int、unsigned int、long、long long等型別的,對它來說,整數只有一種類型也就是long。由此,可以看出,在PHP裡面,整數的值範圍是由編譯器位數來決定而不是固定不變的。

對於浮點數,類似整數,它也不區分float和double而是統一隻有double一種型別。

在PHP中,如果整數範圍越界了怎麼辦?這種情況下會自動轉換為double類型,這個一定要小心,很多trick都是由此產生。

和整數一樣,字元變數也是PHP中的基礎型別和簡單型變數。透過zvalue結構可以看出,在PHP中,字串是由指向實際資料的指標和長度結構體組成,這點和c++中的string比較類似。由於透過一個實際變數表示長度,和c不同,它的字串可以是2進位資料(包含),同時在PHP中,求字串長度strlen是O(1)運算。

在新增、修改、追加字串操作時,PHP都會重新分配記憶體產生新的字串。最後,基於安全考慮,PHP在產生一個字串時結尾仍會加上

常見的字串拼接方式及速度比較:

假設有以下4個變數:$strA= '123'; $strB = '456'; $intA=123; intB=456;

現在對如下的幾個字串拼接方式做一個比較和說明:

#PH

$res=$strA.$strB和$res=“$strA$strB”#


PHP的陣列透過Zend HashTable來天然實作。

foreach操作如何實現?對一個陣列的foreach就是透過遍歷hashtable中的雙向鍊錶完成。對於索引數組,透過foreach遍歷效率比for高很多,省去了key->value的查找。 count操作直接呼叫HashTable->NumOfElements,O(1)操作。對於’123’這樣的字串,zend會轉換為其整數形式。 $arr[‘123’]和$arr[123]是等價的

資源型變數是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,要想將它當作資源。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。

PHP運行機制這個過程:

1. 我們從未手動開啟過PHP的相關進程,它是隨著Apache的啟動而運行的;

2. PHP透過mod_php5.so模組和Apache相連(具體來說是SAPI,即伺服器應用程式介面);

3. PHP總共有三個模組:核心、Zend引擎、以及擴充層;

4. PHP核心用來處理請求、檔案流、錯誤處理等相關操作;

5. Zend引擎(ZE)用來將原始檔案轉換成機器語言,然後在虛擬機器上執行它;

6. 擴展層是一組函數、類別庫和流,PHP使用它們來執行一些特定的操作。例如,我們需要mysql擴展來連接MySQL資料庫;

7. 當ZE執行程式時可能會需要連接若干擴展,這時ZE將控制權交給擴展,等處理完特定任務後再返還;

8. 最後,ZE將程式運行結果傳回PHP內核,它再將結果傳送給SAPI層,最終輸出到瀏覽器上。

深入探討PHP運作機制

PHP運作機制之PHP啟動第一步   

不清楚什麼第一第二步是什麼?別擔心,我們接下來詳細討論一下。

讓我們先看看第一步,也是最主要的一步。要記住的是,第一步的操作在任何請求到達之前就發生了。 啟動Apache後,PHP解譯程式也隨之啟動; PHP呼叫各個擴充的MINIT方法,讓這些擴充切換到可用狀態。看看php.ini檔案裡開啟了哪些擴充;MINIT的意思是「模組初始化」。各個模組都定義了一組函數、類別庫等用以處理其他請求。

一個典型的MINIT方法如下:

PHP_MINIT_FUNCTION(extension_name){ /* Initialize functions, classes etc */ }

PHP運作機制之PHP啟動第二步驟

當一個頁面請求發生時,SAPI層會將控制權交給PHP層。於是PHP設定了回覆本次請求所需的環境變數。同時,它也建立一個變數表,用來存放執行過程中產生的變數名稱和值。 PHP呼叫各個模組的RINIT方法,即「請求初始化」。一個經典的例子是Session模組的RINIT,如果在php.ini中啟用了Session模組,那麼在呼叫該模組的RINIT時就會初始化$_SESSION變量,並將相關內容讀入; RINIT方法可以看作是一個準備過程,在程式執行之間就會自動啟動。

一個典型的RINIT方法如下:

PHP_RINIT_FUNCTION(extension_name) { /* Initialize session variables, pre-populate variables, redefine global variables etc */ }

##機制之PHP關閉第一步

如同PHP啟動一樣,PHP的關閉也分兩步: 一旦頁面執行完畢(無論是執行到了文件末尾還是用exit或die函數中止),PHP就會啟動清理程序。它會依序呼叫各個模組的RSHUTDOWN方法。 RSHUTDOWN用於清除程式運行時所產生的符號表,也就是對每個變數呼叫unset函數。

一個典型的RSHUTDOWN方法如下:

PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION(extension_name) { /* Do memory management, unset all variables used in the last PHP call etc */ }

#運行機制之PHP關閉第二步

最後,所有的請求都已處理完畢,SAPI也準備關閉了,PHP開始執行第二步: PHP呼叫每個擴充的MSHUTDOWN方法,這是各個模組最後一次釋放記憶體的機會。

一個典型的RSHUTDOWN方法如下:

PHP_MSHUTDOWN_FUNCTION(extension_name) { /* Free handlers and persistent memory etc */ }

這樣,整個PHP生命週期就結束了。要注意的是,只有在伺服器沒有請求的情況下才會執行「啟動第一步」和「關閉第二步」。

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8

這種情況下,zend會重新malloc一塊記憶體並進行對應處理,其速度一般

$strA=$strA.$strB

這種是速度最快的, zend會在目前strA基礎上直接relloc,避免重複拷貝

$res=$intA.$intB

這種速度較慢,因為需要做隱含的格式轉換,實際寫程式中也應該注意盡量避免

$strA=sprintf(“%s%s”,$strA.$strB);

這會是最慢的一種方式,因為sprintf在PHP中並不是語言結構,本身對於格式辨識與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,實際中可以根據具體情況靈活選擇。

以上是PHP底層運作機制詳解的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章!

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來源:php.cn
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