學PHP可以從底層的運行機制與原理開始

碼農程序 / 2019-03-18 19:35:30

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PHP是一種適用于web開發的動態語言。具體點說,就是一個用C語言實現包含大量組件模塊的軟件框架。是一個強大的UI框架。

簡言之;PHP動態語言執行過程:拿到一段代碼后,經過詞法解析、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虛擬機順次執行這些指令完成操作。PHP本身是用C實現的,因此最終調用的也是C的函數,實際上,我們可以把PHP看做一個C開發的軟件。

一.PHP的設計理念及特點

1、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,目前PHP也早支持多線程模型

2、弱類型語言:和C/C++、JAVA、C#等語言不同,PHP是一種弱類型的語言。一個變量的類型并不是一開始就確定不變的,運行中才會確定并可能發生隱式或顯示的類型轉換,這種機制的靈活性在web開發中非常方便、高效,具體會在后面PHP變量中詳述。

3、引擎(Zend)+組件(ext)的模式降低內部耦合。

4、中間層(sapi )Sapi全稱是Server Application Programming Interface 隔絕web server和PHP。

5、語法簡單靈活,沒有太多規范。缺點導致風格混雜。

二、PHP的四層體系

PHP的核心架構如下圖:(我自己根據網上的圖有PS了下;比較形象了;www.daokr.com 是我的個人網站;準備運營一個PHP開源項目;之前的www.ikphp.com我是網站長)

PHP從下倒上是一個4層體系:

1、Zend引擎:Zend整體用純C實現,是PHP的內核部分,他將PHP代碼翻譯(詞法、語法解析等一系列編譯過程)為可執行opcode的處理并實現相應的處理方法、實現了基本的數據結構(如:hashtable、OO)、內存分配機制及管理、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。

2、Extensions:圍繞著Zend引擎,extensions通過組件式的方式提供各種基礎服務,我們常見的各種內置函數(array系列)、標準庫等都是通過extension來實現,用戶也可以根據需要實現自己的extension的典型應用)。

3、Sapi:Sapi全稱Server Application Programming Interface,也就是服務端應用編程接口,Sapi通過一系列鉤子函數,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不同的處理方式。

4、上層應用:這就是我們平時編寫的PHP程序,通過不同的spai方式得到各種各樣的應用模式,如何通過webserver實現web應用、在命令行下已腳本方式運行等等。

我們需要:性能優異的引擎(Zend)+合適的車輪(Ext)+正確的跑道(Sapi)。

 

三、Sapi

Sapi通過一系列的接口,使得外部應用可以和PHP交換數據并可以根據不同應用特點實現特定的處理方法,我們常見一些sapi有:

1、apache2handler:這是以apache作為webserver,采用mod_PHP模式運行時候的處理方式,也是現在應用最廣泛的一種。

2、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協議,在最近fastcgi+PHP得到越來越多的應用,也是異步webserver所唯一支持的方式;典型應用nginx服務器;fastcgi 說白點就是 php的一個擴展

  • Web Server啟動時載入FastCGI進程管理器(IIS ISAPI或Apache Module)

  • FastCGI進程管理器自身初始化,啟動多個CGI解釋器進程(可見多個php-cgi)并等待來自Web Server的連接。

  • 當客戶端請求到達Web Server時,FastCGI進程管理器選擇并連接到一個CGI解釋器。Web server將CGI環境變量和標準輸入發送到FastCGI子進程php-cgi。

  • FastCGI子進程完成處理后將標準輸出和錯誤信息從同一連接返回Web Server。當FastCGI子進程關閉連接時,請求便告處理完成。FastCGI子進程接著等待并處理來自FastCGI進程管理器(運行在Web Server中)的下一個連接。 在CGI模式中,php-cgi在此便退出了。

  • 在上述情況中,你可以想象CGI通常有多慢。每一個Web請求PHP都必須重新解析php.ini、重新載入全部擴展并重初始化全部數據結構。使用FastCGI,所有這些都只在進程啟動時發生一次。一個額外的好處是,持續數據庫連接(Persistent database connection)可以工作。

 

3、cli:命令行調用的應用模式

命令行界面(英語:command-line interface,縮寫:CLI)是在圖形用戶界面得到普及之前使用最為廣泛的用戶界面,它通常不支持鼠標,用戶通過鍵盤輸入指令,計算機接收到指令后,予以執行。也有人稱之為字符用戶界面(CUI)。
通常認為,命令行界面(CLI)沒有圖形用戶界面(GUI)那么方便用戶操作。因為,命令行界面的軟件通常需要用戶記憶操作的命令,但是,由于其本身的特點,命令行界面要較圖形用戶界面節約計算機系統的資源。在熟記命令的前提下,使用命令行界面往往要較使用圖形用戶界面的操作速度要快。所以,圖形用戶界面的操作系統中,都保留著可選的命令行界面。

四、PHP的執行流程&opcode

 

PHP動態語言執行過程:拿到一段代碼后,經過詞法解析、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虛擬機順次執行這些指令完成操作。PHP本身是用C實現的,因此最終調用的也是C的函數,實際上,我們可以把PHP看做一個C開發的軟件。

PHP的執行的核心是翻譯出來的一條一條指令,也是opcode。

Opcode是PHP程序執行的最基本單位。

在計算機科學領域中,操作碼(Operation Code, OPCode)被用于描述機器語言指令中,指定要執行某種操作的那部分機器碼,構成OPCode的指令格式和規范由處理器的指令規范指定。

一個opcode由兩個參數(op1,op2)、返回值和處理函數組成。PHP程序最終被翻譯為一組opcode處理函數的順序執行。

常見的幾個處理函數:

ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 變量分配 ($a=$b
ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER:函數調用
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


五、HashTable——核心數據結構

HashTable是Zend的核心數據結構,在PHP里面幾乎并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、全局變量等也都是基于hash table具有如下特點:

1、支持典型的key->value查詢

2、可以當做數組使用

3、添加、刪除節點是O(1)復雜度

4、key支持混合類型:同時存在關聯數組合索引數組

5、Value支持混合類型:array("string",2332)

6、支持線性遍歷:如foreach

Zend hash table實現了典型的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。

1、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是一個自增長的數據結構,當hash表數目滿了之后,其本身會動態以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。

2、雙向鏈表:Zend hash table通過一個鏈表結構,實現了元素的線性遍歷。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,作為數組使用時,即支持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關聯數組:關聯數組是典型的hash_table應用。一次查詢過程經過如下幾步(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;


4、PHP索引數組:索引數組就是我們常見的數組,通過下標訪問。例如 $arr[0],Zend HashTable內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才能夠實現關聯和非關聯的混合。由于 push操作的特殊性,索引key在PHP數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

六、PHP變量

PHP是一門弱類型語言,本身不嚴格區分變量的類型。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主要由三部分組成:

  • type:指定了變量所述的類型(整數、字符串、數組等)

  • refcount&is_ref:用來實現引用計數(后面具體介紹)

  • value:核心部分,存儲了變量的實際數據

Zvalue是用來保存一個變量的實際數據。因為要存儲多種類型,所以zvalue是一個union,也由此實現了弱類型。

PHP變量類型和其實際存儲對應關系如下:

  • 引用計數在內存回收、字符串操作等地方使用非常廣泛PHP中的變量就是引用計數的典型應用。Zval的引用計數通過成員變量is_ref和ref_count實現,通過引用計數,多個變量可以共享同一份數據。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變量通過引用計數實現變量共享數據,那如果改變其中一個變量值呢當試圖寫入一個變量時,Zend若發現該變量指向的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”。可見,只有在有寫操作發生時 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。整數、浮點數是PHP中的基礎類型之一,也是一個簡單型變量。對于整數和浮點數,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,對于整數類型,和c等強類型語言不同,PHP是不區分int、unsigned int、long、long long等類型的,對它來說,整數只有一種類型也就是long。由此,可以看出,在PHP里面,整數的取值范圍是由編譯器位數來決定而不是固定不變的。

  • 對于浮點數,類似整數,它也不區分float和double而是統一只有double一種類型在PHP中,如果整數范圍越界了怎么辦?這種情況下會自動轉換為double類型,這個一定要小心,很多trick都是由此產生。

  • 和整數一樣,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據的指針和長度結 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進制數據(包含4399小游戏上海麻将连连看 什么网站可以看幸运飞艇直播 福建快3开奖6月7日开奖结果 内蒙古快三1000期 重庆时时彩开奖官网 极速赛走势图表 快乐十分常出号码组合 广西快乐十分开奖彩票 三肖中特期期准白姐 3d派奖2019年有派奖吗 时时计划软件会假吗