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虚拟机运行的原理

PHP 是一门解释型的语言。诸如 Java、Python、Ruby、Javascript 等解释型语言,大家编辑的代码不会被编写翻译成机器码运营,而是会被编写翻译中间码运转在设想机(VM)上。运营PHP 的虚拟机,称之为 Zend 设想机,前不久大家将长远内核,切磋 Zend 虚构机械运输营的规律。

OPCODE

什么样是 OPCODE?它是一种虚构机能够分辨并拍卖的下令。Zend 设想机包蕴了一雨后玉兰片的 OPCODE,通过 OPCODE 虚构机能够做过多事情,列举几个OPCODE 的例证:

  • ZEND_ADD 将八个操作数相加。
  • ZEND_NEW 缔造三个 PHP 对象。
  • ZEND_ECHO 将内容输出到规范输出中。
  • ZEND_EXIT 退出 PHP。

如此那般的操作,PHP 定义了187个(随着 PHP 的换代,料定会支撑更加多花色的 OPCODE),全体的 OPCODE 的定义和兑现都能够在源码的 zend/zend_vm_def.h 文件(这几个文件的剧情并非原生的 C 代码,而是二个模板,前边会表明原因)中查阅到。

大家来看下 PHP 是如何布署 OPCODE 数据构造:

struct _zend_op {
    const void *handler;
    znode_op op1;
    znode_op op2;
    znode_op result;
    uint32_t extended_value;
    uint32_t lineno;
    zend_uchar opcode;
    zend_uchar op1_type;
    zend_uchar op2_type;
    zend_uchar result_type;
};

细心观察 OPCODE 的数据构造,是或不是能找到汇编语言的觉取得。每二个 OPCODE 都含有八个操作数,op1和 op2handler 指针则指向了实行该 OPCODE 操作的函数,函数管理后的结果,会被封存在 result 中。

大家举一个大概的事例:

<?php
$b = 1;
$a = $b + 2;

咱俩通过 vld 增加看见,经过编写翻译的后,上边的代码生成了 ZEND_ADD 指令的 OPCODE。

compiled vars:  !0 = $b, !1 = $a
line     #* E I O op                           fetch          ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   2     0  E >   ASSIGN                                                   !0, 1
   3     1        ADD                                              ~3      !0, 2
         2        ASSIGN                                                   !1, ~3
   8     3      > RETURN                                                   1

中间,第二行是 ZEND_ADD 指令的 OPCODE。大家看看,它选用2个操作数,op1 是变量 $bop2 是数字常量1,再次来到的结果存入了暂且变量中。在 zend/zend_vm_def.h 文件中,大家能够找到 ZEND_ADD 指令对应的函数实现:

ZEND_VM_HANDLER(1, ZEND_ADD, CONST|TMPVAR|CV, CONST|TMPVAR|CV)
{
    USE_OPLINE
    zend_free_op free_op1, free_op2;
    zval *op1, *op2, *result;

    op1 = GET_OP1_ZVAL_PTR_UNDEF(BP_VAR_R);
    op2 = GET_OP2_ZVAL_PTR_UNDEF(BP_VAR_R);
    if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_LONG)) {
        if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_LONG)) {
            result = EX_VAR(opline->result.var);
            fast_long_add_function(result, op1, op2);
            ZEND_VM_NEXT_OPCODE();
        } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_DOUBLE)) {
            result = EX_VAR(opline->result.var);
            ZVAL_DOUBLE(result, ((double)Z_LVAL_P(op1)) + Z_DVAL_P(op2));
            ZEND_VM_NEXT_OPCODE();
        }
    } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_DOUBLE)) {

    ...
}

地点的代码并非原生的 C 代码,而是一种模板。

缘何如此做?因为 PHP 是弱类型语言,而其落成的 C 则是强类型语言。弱类型语言扶植电动类型相称,而机关类型相配的得以达成形式,就疑似上述代码相近,通过判定来管理分歧门类的参数。试想一下,假诺每二个OPCODE 处理的时候都亟需看清传入的参数类型,那么品质势必成为宏大的主题材料(叁遍呼吁须求管理的 OPCODE 也许能达到规定的规范数不尽个)。

哪有何办法吧?大家发将来编写翻译的时候,已经可以显著每一种操作数的系列(只怕是常量照旧变量)。所以,PHP 真正履行时的 C 代码,区别门类操作数将分成区别的函数,供设想机直接调用。这一部分代码放在了 zend/zend_vm_execute.h 中,张开后的公文相当大,而且我们注意到还应该有那样的代码:

if (IS_CONST == IS_CV) {

一起未有何样含义是啊?可是并未有涉嫌,C 的编写翻译器会自动优化那样决断。大大多气象,大家盼望理解有个别 OPCODE 管理的逻辑,还是通过阅读模板文件 zend/zend_vm_def.h 比比较容易于。顺便说一下,依据模板生成 C 代码的次第便是用 PHP 完结的。

实施进程

确切的来讲,PHP 的实施分成了两大学一年级些:编写翻译和施行。这里笔者将不会详细张开编写翻译的一部分,而是把关键放在实践的进程。

透过语法、词法分析等一多种的编写翻译进度后,大家赢得了二个名称叫 OPArray 的多少,其组织如下:

struct _zend_op_array {
    /* Common elements */
    zend_uchar type;
    zend_uchar arg_flags[3]; /* bitset of arg_info.pass_by_reference */
    uint32_t fn_flags;
    zend_string *function_name;
    zend_class_entry *scope;
    zend_function *prototype;
    uint32_t num_args;
    uint32_t required_num_args;
    zend_arg_info *arg_info;
    /* END of common elements */

    uint32_t *refcount;

    uint32_t last;
    zend_op *opcodes;

    int last_var;
    uint32_t T;
    zend_string **vars;

    int last_live_range;
    int last_try_catch;
    zend_live_range *live_range;
    zend_try_catch_element *try_catch_array;

    /* static variables support */
    HashTable *static_variables;

    zend_string *filename;
    uint32_t line_start;
    uint32_t line_end;
    zend_string *doc_comment;
    uint32_t early_binding; /* the linked list of delayed declarations */

    int last_literal;
    zval *literals;

    int  cache_size;
    void **run_time_cache;

    void *reserved[ZEND_MAX_RESERVED_RESOURCES];
};

内容超多对啊?轻巧的敞亮,其本质正是贰个 OPCODE 数组外加施行进度中所须求的意况数据的集合。介绍几个相对来说相比较根本的字段:

  • opcodes 存放 OPCODE 的数组。
  • filename 当前举办的脚本的文本名。
  • function_name 当前实施的办法名称。
  • static_variables 静态变量列表。
  • last_try_catch try_catch_array 当前上下文中,若是现身十分try-catch-finally 跳转所需的音讯。
  • literals 全数诸如字符串 foo 只怕数字23,那样的常量字面量集结。

怎么必要调换那样天翻地覆的数目?因为编写翻译时代生成的音信更加多,实施时代所要求的时光就越少。

接下去,大家看下 PHP 是何许实践 OPCODE。OPCODE 的进行被放在三个巡回中,这么些轮回位于 zend/zend_vm_execute.h 中的 execute_ex 函数:

ZEND_API void execute_ex(zend_execute_data *ex)
{
    DCL_OPLINE

    zend_execute_data *execute_data = ex;

    LOAD_OPLINE();
    ZEND_VM_LOOP_INTERRUPT_CHECK();

    while (1) {
        if (UNEXPECTED((ret = ((opcode_handler_t)OPLINE->handler)(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS_PASSTHRU)) != 0)) {
            if (EXPECTED(ret > 0)) {
                execute_data = EG(current_execute_data);
                ZEND_VM_LOOP_INTERRUPT_CHECK();
            } else {
                return;
            }
        }
    }

    zend_error_noreturn(E_CORE_ERROR, "Arrived at end of main loop which shouldn't happen");
}

那边,作者去掉了有的情形变量判别分支,保留了运转的主流程。能够见见,在一个特别循环中,设想机缘不断调用 OPCODE 内定的 handler 函数管理指令集,直到某次指令管理的结果 ret 小于0。注意到,在主流程中并从未挪动 OPCODE 数组的当下指针,而是把这么些进度置于指令实践的具体函数的最终。所以,大家在大多数OPCODE 的兑现函数的终极,都能阅览调用那么些宏:

ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();

在前头特简单例子中,大家看看 vld 打字与印刷出的试行 OPCODE 数组中,最后有一项命令为 ZEND_RETURN 的 OPCODE。但大家编辑的 PHP 代码中并不曾如此的说话。在编写翻译时代,虚构机遇自动将这些命令加到 OPCODE 数组的结尾。ZEND_RETURN 指令对应的函数会回去 -1,判别实践的结果小于0时,就能够退出循环,进而结束程序的运营。

主意调用

举例大家调用二个自定义的函数,设想时机怎么管理呢?

<?php
function foo() {
    echo 'test';
}

foo();

我们经过 vld 查看生成的 OPCODE。现身了多少个 OPCODE 指令执行栈,是因为我们自定义了一个 PHP 函数。在第四个实施栈上,调用自定义函数会举行五个 OPCODE 指令:INIT_FCALL 和 DO_FCALL

compiled vars:  none
line     #* E I O op                           fetch          ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   2     0  E >   NOP
   6     1        INIT_FCALL                                               'foo'
         2        DO_FCALL                                      0
         3      > RETURN                                                   1

compiled vars:  none
line     #* E I O op                           fetch          ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   3     0  E >   ECHO                                                     'test'
   4     1      > RETURN                                                   null

其中,INIT_FCALL 希图了实行函数时所需要的上下文数据。DO_FCALL 担任实施函数。DO_FCALL 的管理函数依照不相同的调用项境管理了大气逻辑,小编接收了内部实践顾客定义的函数的逻辑部分:

ZEND_VM_HANDLER(60, ZEND_DO_FCALL, ANY, ANY, SPEC(RETVAL))
{
    USE_OPLINE
    zend_execute_data *call = EX(call);
    zend_function *fbc = call->func;
    zend_object *object;
    zval *ret;

    ...

    if (EXPECTED(fbc->type == ZEND_USER_FUNCTION)) {
        ret = NULL;
        if (RETURN_VALUE_USED(opline)) {
            ret = EX_VAR(opline->result.var);
            ZVAL_NULL(ret);
        }

        call->prev_execute_data = execute_data;
        i_init_func_execute_data(call, &fbc->op_array, ret);

        if (EXPECTED(zend_execute_ex == execute_ex)) {
            ZEND_VM_ENTER();
        } else {
            ZEND_ADD_CALL_FLAG(call, ZEND_CALL_TOP);
            zend_execute_ex(call);
        }
    }

    ...

    ZEND_VM_SET_OPCODE(opline + 1);
    ZEND_VM_CONTINUE();
}

能够观察,DO_FCALL 首先将调用函数前的上下文数据保存到 call->prev_execute_data,然后调用 i_init_func_execute_data 函数,将自定义函数对象中的 op_array(各样自定义函数会在编译的时候生成对应的多少,其数据构造中隐含了函数的 OPCODE 数组) 赋值给新的试行上下文对象。

然后,调用 zend_execute_ex 函数,从前实践自定义的函数。zend_execute_ex 实际上便是眼下提到的 execute_ex 函数(暗中认可是如此,但扩张恐怕重写 zend_execute_ex 指针,那么些API 让 PHP 扩大开垦者能够因而覆写函数到达增添效率的指标,不是本篇的主旨,不寻思深远商讨),只是上下文数据被替换来当前函数所在的上下文数据。

我们得以那样敞亮,最外层的代码正是二个默许存在的函数(相仿 C 语言中的 main()函数),和用户自定义的函数本质上是绝非区分的。

逻辑跳转

咱俩领会指令都以逐个实施的,而大家的顺序,日常都带有众多的逻辑决断和循环,那有的又是何许通过 OPCODE 完毕的啊?

<?php
$a = 10;
if ($a == 10) {
    echo 'success';
} else {
    echo 'failure';
}

小编们依然通过 vld 查看 OPCODE(必须要说 vld 扩充是剖析 PHP 的神器)。

compiled vars:  !0 = $a
line     #* E I O op                           fetch          ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   2     0  E >   ASSIGN                                                   !0, 10
   3     1        IS_EQUAL                                         ~2      !0, 10
         2      > JMPZ                                                     ~2, ->5
   4     3    >   ECHO                                                     'success'
         4      > JMP                                                      ->6
   6     5    >   ECHO                                                     'failure'
   7     6    > > RETURN                                                   1

大家见到,JMPZ 和 JMP 调整了实施流程。JMP 的逻辑极度轻易,将如今的 OPCODE 指针指向内需跳转的 OPCODE。

ZEND_VM_HANDLER(42, ZEND_JMP, JMP_ADDR, ANY)
{
    USE_OPLINE

    ZEND_VM_SET_OPCODE(OP_JMP_ADDR(opline, opline->op1));
    ZEND_VM_CONTINUE();
}

JMPZ 仅仅是多了一遍剖断,依据结果选拔是不是跳转,这里就不再重复列举了。而拍卖循环的点子与判定基本上是雷同的。

<?php
$a = [1, 2, 3];
foreach ($a as $n) {
    echo $n;
}

compiled vars:  !0 = $a, !1 = $n
line     #* E I O op                           fetch          ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   2     0  E >   ASSIGN                                                   !0, <array>
   3     1      > FE_RESET_R                                       $3      !0, ->5
         2    > > FE_FETCH_R                                               $3, !1, ->5
   4     3    >   ECHO                                                     !1
         4      > JMP                                                      ->2
         5    >   FE_FREE                                                  $3
   5     6      > RETURN                                                   1

循环只供给 JMP 指令就可以到位,通过 FE_FETCH_R 指令判别是还是不是曾经达到数组的末梢,假诺达到则脱离循环。

结语

因此领悟 Zend 设想机,相信您对 PHP 是怎么着运作的,会有更浓重的敞亮。想到我们写的一行行代码,最终机器推行的时候会产生数不清的授命,各类指令又别辟门户在树大根深的拍卖逻辑之上。那多少个过去任意写下的代码,以往会不会在脑际里不自觉的转变到OPCODE 再品尝一番吧?