PHP說簡單长赞，但是要精通也不是一件簡單的事声怔。我們除了會使用之外，還得知道它底層的工作原理气笙。

PHP是一種適用于web開發(fā)的動態(tài)語言次企。具體點說，就是一個用C語言實現(xiàn)包含大量組件的軟件框架潜圃。更狹義點看缸棵，可以把它認為是一個強大的UI框架。

了解PHP底層實現(xiàn)的目的是什么谭期？動態(tài)語言要像用好首先得了解它堵第，內(nèi)存管理、框架模型值得我們借鑒隧出，通過擴展開發(fā)實現(xiàn)更多更強大的功能踏志，優(yōu)化我們程序的性能。

1. PHP的設(shè)計理念及特點

• 多進程模型：由于PHP是多進程模型鸳劳，不同請求間互不干涉狰贯，這樣保證了一個請求掛掉不會對全盤服務(wù)造成影響也搓。當然涵紊，隨著時代發(fā)展，PHP也早已支持多線程模型幔摸。
• 弱類型語言：和C/C++、Java患雇、C#等語言不同，PHP是一門弱類型語言援所。一個變量的類型并不是一開始就確定不變，運行中才會確定并可能發(fā)生隱式或顯式的類型轉(zhuǎn)換睹簇，這種機制的靈活性在web開發(fā)中非常方便、高效凿渊，具體會在后面PHP變量中詳述堵幽。
• 引擎(Zend)+組件(ext)的模式降低內(nèi)部耦合。
• 中間層(sapi)隔絕web server和PHP麦撵。
• 語法簡單靈活，沒有太多規(guī)范诗充。缺點導(dǎo)致風格混雜侮东，但再差的程序員也不會寫出太離譜危害全局的程序告组。

2. PHP的四層體系

PHP的核心架構(gòu)如下圖：

php-core

從圖上可以看出姚建，PHP從下到上是一個4層體系：

• Zend引擎：Zend整體用純C實現(xiàn)包斑，是PHP的內(nèi)核部分，它將PHP代碼翻譯（詞法涕俗、語法解析等一系列編譯過程）為可執(zhí)行opcode處理罗丰，并實現(xiàn)相應(yīng)的處理方法，實現(xiàn)了基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如hashtable再姑、oo）萌抵、內(nèi)存分配及管理、提供了相應(yīng)的api方法供外部調(diào)用元镀，是一切的核心谜嫉，所有的外圍功能均圍繞Zend實現(xiàn)。
• Extensions：圍繞著Zend引擎凹联，extensions通過組件式的方式提供各種基礎(chǔ)服務(wù)沐兰，我們常見的各種內(nèi)置函數(shù)（如array系列）、標準庫等都是通過extension來實現(xiàn)蔽挠，用戶也可以根據(jù)需要實現(xiàn)自己的extension以達到功能擴展住闯、性能優(yōu)化等目的（如貼吧正在使用的PHP中間層瓜浸、富文本解析就是extension的典型應(yīng)用）。
• Sapi：Sapi全稱是Server Application Programming Interface比原，也就是服務(wù)端應(yīng)用編程接口插佛，Sapi通過一系列鉤子函數(shù)，使得PHP可以和外圍交互數(shù)據(jù)量窘，這是PHP非常優(yōu)雅和成功的一個設(shè)計雇寇，通過sapi成功的將PHP本身和上層應(yīng)用解耦隔離，PHP可以不再考慮如何針對不同應(yīng)用進行兼容蚌铜，而應(yīng)用本身也可以針對自己的特點實現(xiàn)不同的處理方式锨侯。
• Application：這就是我們平時編寫的PHP程序，通過不同的sapi方式得到各種各樣的應(yīng)用模式冬殃，如通過webserver實現(xiàn)web應(yīng)用囚痴、在命令行下以腳本方式運行等等。

如果PHP是一輛車审葬，那么車的框架就是PHP本身深滚，Zend是車的引擎（發(fā)動機），Ext下面的各種組件就是車的輪子涣觉，Sapi可以看做是公路痴荐，車可以跑在不同類型的公路上，而一次PHP程序的執(zhí)行就是汽車跑在公路上官册。因此生兆，我們需要：性能優(yōu)異的引擎+合適的車輪+正確的跑道。

3. Sapi

如前所述攀隔，Sapi通過通過一系列的接口皂贩，使得外部應(yīng)用可以和PHP交換數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)不同應(yīng)用特點實現(xiàn)特定的處理方法昆汹，我們常見的一些sapi有：

• apache2handler：這是以apache作為webserver明刷，采用mod_PHP模式運行時候的處理方式。
• cgi：這是webserver和PHP直接的另一種交互方式满粗，也就是大名鼎鼎的fastcgi協(xié)議辈末，在最近今年fastcgi+PHP得到越來越多的應(yīng)用，也是異步webserver所唯一支持的方式映皆。
• cli：命令行調(diào)用的應(yīng)用模式

4. PHP的執(zhí)行流程&opcode

我們先來看看PHP代碼的執(zhí)行所經(jīng)過的流程挤聘。

image

從圖上可以看到，PHP實現(xiàn)了一個典型的動態(tài)語言執(zhí)行過程：拿到一段代碼后捅彻，經(jīng)過詞法解析组去、語法解析等階段后，源程序會被翻譯成一個個指令(opcodes)步淹，然后ZEND虛擬機順次執(zhí)行這些指令完成操作从隆。PHP本身是用C實現(xiàn)的诚撵，因此最終調(diào)用的也都是C的函數(shù)，實際上键闺，我們可以把PHP看做是一個C開發(fā)的軟件寿烟。

PHP的執(zhí)行的核心是翻譯出來的一條一條指令，也即opcode辛燥。

Opcode是PHP程序執(zhí)行的最基本單位筛武。一個opcode由兩個參數(shù)(op1,op2)、返回值和處理函數(shù)組成挎塌。PHP程序最終被翻譯為一組opcode處理函數(shù)的順序執(zhí)行徘六。

常見的幾個處理函數(shù)：

ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 變量分配 （b）
ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER：函數(shù)調(diào)用
ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER：字符串拼接 b
ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法運算 a==1
ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 $a===1

5. HashTable — 核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

HashTable是Zend的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在PHP里面幾乎并用來實現(xiàn)所有常見功能勃蜘，我們知道的PHP數(shù)組即是其典型應(yīng)用硕噩，此外假残，在zend內(nèi)部缭贡，如函數(shù)符號表、全局變量等也都是基于hash table來實現(xiàn)辉懒。

PHP的hash table具有如下特點：

• 支持典型的key->value查詢
• 可以當做數(shù)組使用
• 添加阳惹、刪除節(jié)點是 O(1) 復(fù)雜度
• key支持混合類型：同時存在關(guān)聯(lián)數(shù)組合索引數(shù)組
• Value支持混合類型：array ("string", 2332)
• 支持線性遍歷：如foreach

Zend hash table實現(xiàn)了典型的hash表散列結(jié)構(gòu)，同時通過附加一個雙向鏈表眶俩，提供了正向莹汤、反向遍歷數(shù)組的功能。其結(jié)構(gòu)如下圖：

image

可以看到颠印，在hash table中既有key->value形式的散列結(jié)構(gòu)纲岭，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线罕。

• 散列結(jié)構(gòu)：Zend的散列結(jié)構(gòu)是典型的hash表模型止潮，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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)钞楼，當hash表數(shù)目滿了之后喇闸，其本身會動態(tài)以2倍的方式擴容并重新元素位置。初始大小均為8询件。另外燃乍，在進行key->value快速查找時候，zend本身還做了一些優(yōu)化宛琅，通過空間換時間的方式加快速度刻蟹。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。

• 雙向鏈表：Zend hash table通過一個鏈表結(jié)構(gòu)嘿辟，實現(xiàn)了元素的線性遍歷舆瘪。理論上痢艺，做遍歷使用單向鏈表就夠了，之所以使用雙向鏈表介陶，主要目的是為了快速刪除堤舒，避免遍歷。Zend hash table是一種復(fù)合型的結(jié)構(gòu)哺呜，作為數(shù)組使用時舌缤，即支持常見的關(guān)聯(lián)數(shù)組也能夠作為順序索引數(shù)字來使用，甚至允許2者的混合某残。

• PHP關(guān)聯(lián)數(shù)組：關(guān)聯(lián)數(shù)組是典型的hash_table應(yīng)用国撵。一次查詢過程經(jīng)過如下幾步（從代碼可以看出，這是一個常見的hash查詢過程玻墅，并增加一些快速判定加速查找介牙。）：

  <pre class="hljs powershell" style="box-sizing: border-box; font-family: SFMono-Regular, Menlo, Monaco, Consolas, "Liberation Mono", "Courier New", monospace; font-size: 14px; margin-top: 0px; margin-bottom: 1rem; overflow: auto; display: block; color: rgb(0, 0, 0); overflow-wrap: break-word; white-space: pre-wrap; max-width: 100%; padding: 0.5em; background: rgb(248, 248, 255);">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;</pre>

• PHP索引數(shù)組：索引數(shù)組就是我們常見的數(shù)組，通過下標訪問澳厢。例如 $arr[0]环础，Zend HashTable內(nèi)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)剩拢。內(nèi)部成員變量nNextFreeElement就是當前分配到的最大id线得，每次push后自動加一。正是這種歸一化處理徐伐，PHP才能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)聯(lián)和非關(guān)聯(lián)的混合贯钩。由于push操作的特殊性，索引key在PHP數(shù)組中先后順序并不是通過下標大小來決定办素，而是由push的先后決定角雷。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

6. PHP變量

PHP是一門弱類型語言性穿，本身不嚴格區(qū)分變量的類型勺三。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(zhuǎn)換季二。和其他強類型語言一樣檩咱，程序中也可以進行顯示的類型轉(zhuǎn)換。PHP變量可以分為簡單類型(int胯舷、string刻蚯、bool)、集合類型(array resource object)和常量(const)桑嘶。以上所有的變量在底層都是同一種結(jié)構(gòu) zval炊汹。

Zval是zend中另一個非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來標識并實現(xiàn)PHP變量逃顶，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

image

Zval主要由三部分組成：

• type：指定了變量所述的類型（整數(shù)讨便、字符串充甚、數(shù)組等）
• refcount&is_ref：用來實現(xiàn)引用計數(shù)(后面具體介紹)
• value：核心部分，存儲了變量的實際數(shù)據(jù)

Zvalue是用來保存一個變量的實際數(shù)據(jù)霸褒。因為要存儲多種類型伴找，所以zvalue是一個union，也由此實現(xiàn)了弱類型废菱。

PHP變量類型和其實際存儲對應(yīng)關(guān)系如下：

<pre class="hljs rust" style="box-sizing: border-box; font-family: SFMono-Regular, Menlo, Monaco, Consolas, "Liberation Mono", "Courier New", monospace; font-size: 14px; margin-top: 0px; margin-bottom: 1rem; overflow: auto; display: block; color: rgb(0, 0, 0); overflow-wrap: break-word; white-space: pre-wrap; max-width: 100%; padding: 0.5em; background: rgb(248, 248, 255); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">IS_LONG -> lvalue
IS_DOUBLE -> dvalue
IS_ARRAY -> ht
IS_STRING -> str
IS_RESOURCE -> lvalue</pre>

引用計數(shù)

引用計數(shù)在內(nèi)存回收技矮、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(shù)的典型應(yīng)用殊轴。Zval的引用計數(shù)通過成員變量is_ref和ref_count實現(xiàn)衰倦，通過引用計數(shù)，多個變量可以共享同一份數(shù)據(jù)旁理。避免頻繁拷貝帶來的大量消耗樊零。

在進行賦值操作時，zend將變量指向相同的zval同時ref_count++孽文，在unset操作時驻襟，對應(yīng)的ref_count-1。只有ref_count減為0時才會真正執(zhí)行銷毀操作叛溢。如果是引用賦值塑悼，則zend會修改is_ref為1劲适。

PHP變量通過引用計數(shù)實現(xiàn)變量共享數(shù)據(jù)楷掉，那如果改變其中一個變量值呢？當試圖寫入一個變量時霞势，Zend若發(fā)現(xiàn)該變量指向的zval被多個變量共享烹植，則為其復(fù)制一份ref_count為1的zval，并遞減原zval的refcount愕贡，這個過程稱為“zval分離”草雕。可見固以，只有在有寫操作發(fā)生時zend才進行拷貝操作墩虹，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憨琳，引用賦值的變量間必須是捆綁的诫钓，修改一個變量就修改了所有捆綁變量。

整數(shù)和浮點數(shù)

整數(shù)篙螟、浮點數(shù)是PHP中的基礎(chǔ)類型之一菌湃，也是一個簡單型變量。對于整數(shù)和浮點數(shù)遍略，在zvalue中直接存儲對應(yīng)的值惧所。其類型分別是long和double骤坐。

從zvalue結(jié)構(gòu)中可以看出，對于整數(shù)類型下愈，和c等強類型語言不同纽绍，PHP是不區(qū)分int、unsigned int势似、long顶岸、long long等類型的，對它來說叫编，整數(shù)只有一種類型也就是long辖佣。由此，可以看出搓逾，在PHP里面卷谈，整數(shù)的取值范圍是由編譯器位數(shù)來決定而不是固定不變的。

對于浮點數(shù)霞篡，類似整數(shù)世蔗，它也不區(qū)分float和double而是統(tǒng)一只有double一種類型。

在PHP中朗兵，如果整數(shù)范圍越界了怎么辦污淋？這種情況下會自動轉(zhuǎn)換為double類型，這個一定要小心余掖，很多trick都是由此產(chǎn)生寸爆。

字符和字符串

和整數(shù)一樣，字符變量也是PHP中的基礎(chǔ)類型和簡單型變量盐欺。通過zvalue結(jié)構(gòu)可以看出赁豆，在PHP中，字符串是由由指向?qū)嶋H數(shù)據(jù)的指針和長度結(jié)構(gòu)體組成冗美，這點和c++中的string比較類似魔种。由于通過一個實際變量表示長度，和c不同粉洼，它的字符串可以是2進制數(shù)據(jù)（包含\0）节预，同時在PHP中，求字符串長度strlen是O(1)操作属韧。

在新增安拟、修改、追加字符串操作時挫剑，PHP都會重新分配內(nèi)存生成新的字符串去扣。最后，出于安全考慮，PHP在生成一個字符串時末尾仍然會添加\0愉棱。

常見的字符串拼接方式及速度比較：

假設(shè)有如下4個變量：

<pre class="hljs ruby" style="box-sizing: border-box; font-family: SFMono-Regular, Menlo, Monaco, Consolas, "Liberation Mono", "Courier New", monospace; font-size: 14px; margin-top: 0px; margin-bottom: 1rem; overflow: auto; display: block; color: rgb(0, 0, 0); overflow-wrap: break-word; white-space: pre-wrap; max-width: 100%; padding: 0.5em; background: rgb(248, 248, 255); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">strB = '456';
intB = 456;</pre>

現(xiàn)在對如下的幾種字符串拼接方式做一個比較和說明：

<pre class="hljs php" style="box-sizing: border-box; font-family: SFMono-Regular, Menlo, Monaco, Consolas, "Liberation Mono", "Courier New", monospace; font-size: 14px; margin-top: 0px; margin-bottom: 1rem; overflow: auto; display: block; color: rgb(0, 0, 0); overflow-wrap: break-word; white-space: pre-wrap; max-width: 100%; padding: 0.5em; background: rgb(248, 248, 255); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">// 下面兩張情況唆铐，zend會重新malloc一塊內(nèi)存并進行相應(yīng)處理，其速度一般
strA . res = "strB"

// 這種是速度最快的奔滑，zend會在當前strA基礎(chǔ)上直接relloc艾岂，避免重復(fù)拷貝
strA . $strB

// 這種速度較慢，因為需要做隱式的格式轉(zhuǎn)換朋其，實際編寫程序中也應(yīng)該注意盡量避免
intA . $intB

// 這會是最慢的一種方式王浴，因為sprintf在PHP中并不是一個語言結(jié)構(gòu)，
// 本身對于格式識別和處理就需要耗費比較多時間梅猿，另外本身機制也是malloc氓辣。
// 不過sprintf的方式最具可讀性，實際中可以根據(jù)具體情況靈活選擇袱蚓。
strA . $strB);</pre>

數(shù)組

PHP的數(shù)組通過Zend HashTable來天然實現(xiàn)钞啸。

foreach操作如何實現(xiàn)？對一個數(shù)組的foreach就是通過遍歷hashtable中的雙向鏈表完成喇潘。對于索引數(shù)組体斩，通過foreach遍歷效率比for高很多，省去了key->value的查找颖低。count操作直接調(diào)用HashTable->NumOfElements絮吵，O(1)操作。對于 '123' 這樣的字符串忱屑，zend會轉(zhuǎn)換為其整數(shù)形式蹬敲。$arr['123']和$arr[123]是等價的。

資源

資源類型變量是PHP中最復(fù)雜的一種變量想幻，也是一種復(fù)合型結(jié)構(gòu)粱栖。

PHP的zval可以表示廣泛的數(shù)據(jù)類型，但是對于自定義的數(shù)據(jù)類型卻很難充分描述脏毯。由于沒有有效的方式描繪這些復(fù)合結(jié)構(gòu)，因此也沒有辦法對它們使用傳統(tǒng)的操作符幔崖。要解決這個問題食店，只需要通過一個本質(zhì)上任意的標識符（label）引用指針，這種方式被稱為資源赏寇。

在zval中吉嫩，對于resource，lval作為指針來使用嗅定，直接指向資源所在的地址自娩。Resource可以是任意的復(fù)合結(jié)構(gòu)，我們熟悉的mysqli渠退、fsock忙迁、memcached等都是資源脐彩。

如何使用資源：

• 注冊：對于一個自定義的數(shù)據(jù)類型，要想將它作為資源姊扔。首先需要進行注冊惠奸，zend會為它分配全局唯一標示。
• 獲取一個資源變量：對于資源恰梢，zend維護了一個id->實際數(shù)據(jù)的hash_tale佛南。對于一個resource，在zval中只記錄了它的id嵌言。fetch的時候通過id在hash_table中找到具體的值返回嗅回。
• 資源銷毀：資源的數(shù)據(jù)類型是多種多樣的。Zend本身沒有辦法銷毀它摧茴。因此需要用戶在注冊資源的時候提供銷毀函數(shù)妈拌。當unset資源時，zend調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成析構(gòu)蓬蝶。同時從全局資源表中刪除它尘分。

資源可以長期駐留，不只是在所有引用它的變量超出作用域之后丸氛，甚至是在一個請求結(jié)束了并且新的請求產(chǎn)生之后培愁。這些資源稱為持久資源，因為它們貫通SAPI的整個生命周期持續(xù)存在缓窜，除非特意銷毀定续。很多情況下，持久化資源可以在一定程度上提高性能禾锤。比如我們常見的mysql_pconnect ,持久化資源通過pemalloc分配內(nèi)存私股，這樣在請求結(jié)束的時候不會釋放。 對zend來說恩掷，對兩者本身并不區(qū)分倡鲸。

變量作用域

PHP中的局部變量和全局變量是如何實現(xiàn)的？對于一個請求黄娘，任意時刻PHP都可以看到兩個符號表(symbol_table和active_symbol_table)峭状，其中前者用來維護全局變量。后者是一個指針逼争，指向當前活動的變量符號表优床，當程序進入到某個函數(shù)中時，zend就會為它分配一個符號表x同時將active_symbol_table指向a誓焦。通過這樣的方式實現(xiàn)全局胆敞、局部變量的區(qū)分。

獲取變量值：PHP的符號表是通過hash_table實現(xiàn)的，對于每個變量都分配唯一標識移层，獲取的時候根據(jù)標識從表中找到相應(yīng)zval返回仍翰。

函數(shù)中使用全局變量：在函數(shù)中，我們可以通過顯式申明global來使用全局變量幽钢。在active_symbol_table中創(chuàng)建symbol_table中同名變量的引用歉备，如果symbol_table中沒有同名變量則會先創(chuàng)建。