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深入了解php底层机制
http://www.21tx.com 2012年09月06日

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1、概述

what is PHP?

一种适用于Web开发的动态语言。具体点说:就是一个用c语言实现包含大量组件的软件框架。更狭义点看,可以把它认为是一个强大的ui框架。

了解它底层实现的目的?

  • 动态语言要像用好首先得了解它

  • 内存管理、框架模型值得我们借鉴

  • 通过扩展开发实现更多更强大的功能,优化我们程序的性能

2、php的设计理念及特点

  • 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对全盘服务造成影响,当然,随着时代发展,php也早已支持多线程模型。

  • 弱类型语言

和c/C++JavaC#等语言不同,Php是一门弱类型语言:一个变量的类型并不是一开始就确定不变,运行中才会确定并可能发生隐式或显式的类型转换,这种机制的灵活性在web开发中非常方便、高效,具体会在后面php变量中详述。

  • 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。(导致风格混杂)

  • 再差的程序员也不会写出太离谱危害全局的程序。

3、Php的四层体系

Php的核心架构如下图

深入了解php底层机制

图1 php结构

从图上可以看出,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。后面将在sapi章节中介绍

  • 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

4、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。

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。关于fastcgi和mod_php,可以参见另外一篇文章《php性能调研-mod_php vs fastcgi》

  • cli

命令行调用的应用模式

        Sapi的定义及主要接口函数如下图

深入了解php底层机制

图2 Sapi协议

这里介绍一下其中一些主要函数

  • startup:php被调用时初始化操作

比如cgi模式,在startup的时候会加载所有的extension并执行模块初始化工作。

  • shutdown:php关闭时收尾工作

  • activate:请求初始化

  • dectivate:请求结束时收尾工作

  • ub_write:指定数据输出方式

比如apache2handler方式,由于php作为apache的一个so存在,因此其输出也就是调用apache的ap_write函数,而在cgi模式下,会系统调用write。

  • sapi_error:错误处理函数

  • read_post:读取post数据

  • reGISter_server_variables:往$_SERVER中注册环境变量

这个一般根据不同协议标准注册注册的变量。

5、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。

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图3 php代码的执行过程

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,经过词法解析、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。

        通过上面描述不难看出,php的执行的核心是翻译出来的一条一条指令,也即opcode

u  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程序最终被翻译为一组opcode处理函数的顺序执行

常见的几个处理函数

        ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 变量分配 ($a=$b)

        ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER:函数调用

        ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER:字符串拼接 $a.$b

        ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法运算 $a+2

        ZEND_IS_EQUAL_SPEC_CV_CONST:判断相等 $a==1

        ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST:判断相等 $a===1

6、HashTable  — 核心数据结构

HashTable是zend的核心数据结构,在php里面几乎并用来实现所有常见功能,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:同时存在关联数组合索引数组

  • Value支持混合类型:array (“string”,2332)

  • 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

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