php底层原理

作者: dreamfly 分类: php 发布时间: 2019-02-22 22:57

php的底层基本原理是一个高级程序员必须掌握的,只有掌握了这些,你才能更能地,更高效地使用php,这样它才能成为"最好的语言".

首先我们先要弄清楚一个概念,那就是php是解释型语言。既然是解释性语言,那就一定要有一个解释器。而php是有个zend引擎来运行php的代码的。

php底层执行流程.png

php是通过SAPI接口来和底层进行交互的。比如apache模块,cgi模块,cli模块。php将各个模块单独拆开,使得代码低耦合,更加方便代码的扩展维护。

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具有如下特点:

1、支持典型的key->value查询

2、可以当做数组使用

3、添加、删除节点是O(1)复杂度

4、key支持混合类型:同时存在关联数组合索引数组

5、Value支持混合类型:array("string",2332)

6、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:

 

 

可以看到:在hash table中既有key->value形式的散列结构,也有双向链表模式,使得它能够非常方便的支持快速查找和线性遍历。

1、散列结构:Zend的散列结构是典型的hash表模型,通过链表的方式来解决冲突。需要注意的是zend的hash table是一个自增长的数据结构,当hash表数目满了之后,其本身会动态以2倍的方式扩容并重新元素位置。初始大小均为8。另外,在进行 key->value快速查找时候,zend本身还做了一些优化,通过空间换时间的方式加快速度。比如在每个元素中都会用一个变量 nKeyLength标识key的长度以作快速判定。

2、双向链表:Zend hash table通过一个链表结构,实现了元素的线性遍历。理论上,做遍历使用单向链表就够了,之所以使用双向链表,主要目的是为了快速删除,避免遍历。 Zend hash table是一种复合型的结构,作为数组使用时,即支持常见的关联数组也能够作为顺序索引数字来使用,甚至允许2者的混合。PHP关联数组:关联数组是典型的hash_table应用。一次查询过程经过如下几步(从代码可以看出,这是一个常见的hash查询过程并增加一些快速判定加速查找。):

3、PHP索引数组:索引数组就是我们常见的数组,通过下标访问。例如 $arr[0],Zend HashTable内部进行了归一化处理,对于index类型key同样分配了hash值和nKeyLength(为0)。内部成员变量 nNextFreeElement就是当前分配到的最大id,每次push后自动加一。正是这种归一化处理,PHP才能够实现关联和非关联的混合。由于 push操作的特殊性,索引key在PHP数组中先后顺序并不是通过下标大小来决定,而是由push的先后决定。例如 $arr[1] = 2; $arr[2] = 3;对于double类型的key,Zend HashTable会将他当做索引key处理


PHP变量

PHP是一门弱类型语言,本身不严格区分变量的类型。PHP在变量申明的时候不需要指定类型。

PHP在程序运行期间可能进行变量类型的隐示转换。 和其他强类型语言一样,程序中也可以进行显示的类型转换。

PHP变量可以分为简单类型(int、string、bool)、集合类型(array resource object)和常量(const)。以上所有的变量在底层都是同一种结构 zval

Zval主要由三部分组成:

  • type:指定了变量所述的类型(整数、字符串、数组等)

  • refcount&is_ref:用来实现引用计数(后面具体介绍)

  • value:核心部分,存储了变量的实际数据

Zvalue是用来保存一个变量的实际数据。因为要存储多种类型,所以zvalue是一个union,也由此实现了弱类型。

PHP变量类型和其实际存储对应关系如下:

  • 引用计数在内存回收、字符串操作等地方使用非常广泛。PHP中的变量就是引用计数的典型应用。Zval的引用计数通过成员变量is_ref和ref_count实现,通过引用计数,多个变量可以共享同一份数据。避免频繁拷贝带来的大量消耗。在进行赋值操作时,zend将变量指向相同的zval同时ref_count++,在unset操作时,对应的ref_count-1。只有ref_count减为0时才会真正执行销毁操作。如果是引用赋值,则zend会修改is_ref为1。

 

  • PHP变量通过引用计数实现变量共享数据,那如果改变其中一个变量值呢?当试图写入一个变量时,Zend若发现该变量指向的zval被多个变量共 享,则为其复制一份ref_count为1的zval,并递减原zval的refcount,这个过程称为“zval分离”。可见,只有在有写操作发生时 zend才进行拷贝操作,因此也叫copy-on-write(写时拷贝)对于引用型变量,其要求和非引用型相反,引用赋值的变量间必须是捆绑的,修改一个变量就修改了所有捆绑变量。整数、浮点数是PHP中的基础类型之一,也是一个简单型变量。对于整数和浮点数,在zvalue中直接存储对应的值。其类型分别是long和double。

 

  • 从zvalue结构中可以看出,对于整数类型,和c等强类型语言不同,PHP是不区分int、unsigned int、long、long long等类型的,对它来说,整数只有一种类型也就是long。由此,可以看出,在PHP里面,整数的取值范围是由编译器位数来决定而不是固定不变的。

 

  • 对于浮点数,类似整数,它也不区分float和double而是统一只有double一种类型。在PHP中,如果整数范围越界了怎么办?这种情况下会自动转换为double类型,这个一定要小心,很多trick都是由此产生。

 

  • 和整数一样,字符变量也是PHP中的基础类型和简单型变量。通过zvalue结构可以看出,在PHP中,字符串是由由指向实际数据的指针和长度结 构体组成,这点和c++中的string比较类似。由于通过一个实际变量表示长度,和c不同,它的字符串可以是2进制数据(包含\0),同时在PHP中, 求字符串长度strlen是O(1)操作。在新增、修改、追加字符串操作时,PHP都会重新分配内存生成新的字符串。最后,出于安全考虑,PHP在生成一个字符串时末尾仍然会添加\0

 

    常见的字符串拼接方式及速度比较:假设有如下4个变量:$strA=‘123’; $strB = ‘456’; $intA=123; intB=456;

    现在对如下的几种字符串拼接方式做一个比较和说明:

也是malloc内存。不过sprintf的方式最具可读性,实际中可以根据具体情况灵活选择。  

  • PHP的数组通过Zend HashTable来天然实现。foreach操作如何实现?对一个数组的foreach就是通过遍历hashtable中的双向链表完成。对于索引数组,通过foreach遍 历效率比for高很多,省去了key->value的查找。count操作直接调用 HashTable->NumOfElements,O(1)操作。对于’123’这样的字符串,zend会转换为其整数形 式。$arr[‘123’]和$arr[123]是等价的

  • 资源类型变量是PHP中最复杂的一种变量,也是一种复合型结构。PHP的zval可以表示广泛的数据类型,但是对于自定义的数据类型却很难充分描述。由于没有有效的方式描绘这些复合结构,因此也没有办法对它们使用传统的操作符。要解决这个问题,只需要通过一个本质上任意的标识符(label)引用指针,这种方式被称为资源。

在zval中,对于resource,lval作为指针来使用,直接指向资源所在的地址。Resource可以是任意的复合结构,我们熟悉的mysqli、fsock、memcached等都是资源。

如何使用资源:

  • 注册:对于一个自定义的数据类型,要想将它作为资源。首先需要进行注册,zend会为它分配全局唯一标示。

  • 获取一个资源变量:对于资源,zend维护了一个id->实际数据的hash_tale。对于一个resource,在zval中只记录了它的id。fetch的时候通过id在hash_table中找到具体的值返回。

  • 资源销毁:资源的数据类型是多种多样的。Zend本身没有办法销毁它。因此需要用户在注册资源的时候提供销毁函数
    当unset资源时,zend调用相应的函数完成析构。同时从全局资源表中删除它。

  • 资源可以长期驻留,不只是在所有引用它的变量超出作用域之后,甚至是在一个请求结束了并且新的请求产生之后。这些资源称为持久资源,因为它们贯通 SAPI的整个生命周期持续存在,除非特意销毁。很多情况下,持久化资源可以在一定程度上提高性能。比如我们常见的mysql_pconnect ,持久化资源通过pemalloc分配内存,这样在请求结束的时候不会释放。 对zend来说,对两者本身并不区分。

  • PHP中的局部变量和全局变量是如何实现的?对于一个请求,任意时刻PHP都可以看到两个符号表(symbol_table和 active_symbol_table),其中前者用来维护全局变量。后者是一个指针,指向当前活动的变量符号表,当程序进入到某个函数中时,zend 就会为它分配一个符号表x同时将active_symbol_table指向a。通过这样的方式实现全局、局部变量的区分。

  • 获取变量值:PHP的符号表是通过hash_table实现的,对于每个变量都分配唯一标识,获取的时候根据标识从表中找到相应zval返回。

  • 函数中使用全局变量:在函数中,我们可以通过显式申明global来使用全局变量。在active_symbol_table中创建symbol_table中同名变量的引用,如果symbol_table中没有同名变量则会先创建。

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