PHP內(nèi)核介紹及擴(kuò)展開發(fā)指南—基礎(chǔ)知識(shí)

一、 基礎(chǔ)知識(shí)

　　本章簡要介紹一些Zend引擎的內(nèi)部機(jī)制，這些知識(shí)和Extensions密切相關(guān)，同時(shí)也可以幫助我們寫出更加高效的PHP代碼。

　　1.1 PHP變量的存儲(chǔ)

　　1.1.1 zval結(jié)構(gòu)

　　Zend使用zval結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)PHP變量的值，該結(jié)構(gòu)如下所示：

1. typedef union _zvalue_value { 
2.     long lval;              /* long value */ 
3.     double dval;                /* double value */ 
4.     struct { 
5.         char *val; 
6.         int len; 
7.     } str; 
8.     HashTable *ht;              /* hash table value */ 
9.     zend_object_value obj; 
10. } zvalue_value; 
11.  
12. struct _zval_struct { 
13.     /* Variable information */ 
14.     zvalue_value value;     /* value */ 
15.     zend_uint refcount; 
16.     zend_uchar type;            /* active type */ 
17.     zend_uchar is_ref; 
18. }; 
19.  
20. typedef struct _zval_struct zval; 
21. <span id="more-597"></span>Zend根據(jù)type值來決定訪問value的哪個(gè)成員，可用值如下： 

　　IS_NULLN/A

　　IS_LONG對(duì)應(yīng)value.lval

　　IS_DOUBLE對(duì)應(yīng)value.dval

　　IS_STRING對(duì)應(yīng)value.str

　　IS_ARRAY對(duì)應(yīng)value.ht

　　IS_OBJECT對(duì)應(yīng)value.obj

　　IS_BOOL對(duì)應(yīng)value.lval.

　　IS_RESOURCE對(duì)應(yīng)value.lval

　　根據(jù)這個(gè)表格可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)有意思的地方：首先是PHP的數(shù)組其實(shí)就是一個(gè)HashTable，這就解釋了為什么PHP能夠支持關(guān)聯(lián)數(shù)組了;其次，Resource就是一個(gè)long值，它里面存放的通常是個(gè)指針、一個(gè)內(nèi)部數(shù)組的index或者其它什么只有創(chuàng)建者自己才知道的東西，可以將其視作一個(gè)handle

　　1.1.1 引用計(jì)數(shù)

　　引用計(jì)數(shù)在垃圾收集、內(nèi)存池以及字符串等地方應(yīng)用廣泛，Zend就實(shí)現(xiàn)了典型的引用計(jì)數(shù)。多個(gè)PHP變量可以通過引用計(jì)數(shù)機(jī)制來共享同一份zval，zval中剩余的兩個(gè)成員is_ref和refcount就用來支持這種共享。

　　很明顯，refcount用于計(jì)數(shù)，當(dāng)增減引用時(shí)，這個(gè)值也相應(yīng)的遞增和遞減，一旦減到零，Zend就會(huì)回收該zval。

　　那么is_ref呢?

　　1.1.2 zval狀態(tài)

　　在PHP中，變量有兩種——引用和非引用的，它們?cè)赯end中都是采用引用計(jì)數(shù)的方式存儲(chǔ)的。對(duì)于非引用型變量，要求變量間互不相干，修改一個(gè)變量時(shí)，不能影響到其他變量，采用Copy-On-Write機(jī)制即可解決這種沖突——當(dāng)試圖寫入一個(gè)變量時(shí)，Zend若發(fā)現(xiàn)該變量指向的zval被多個(gè)變量共享，則為其復(fù)制一份refcount為1的zval，并遞減原zval的refcount，這個(gè)過程稱為“zval分離”。然而，對(duì)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(gè)變量就修改了所有捆綁變量。

　　可見，有必要指出當(dāng)前zval的狀態(tài)，以分別應(yīng)對(duì)這兩種情況，is_ref就是這個(gè)目的，它指出了當(dāng)前所有指向該zval的變量是否是采用引用賦值的——要么全是引用，要么全不是。此時(shí)再修改一個(gè)變量，只有當(dāng)發(fā)現(xiàn)其zval的is_ref為0，即非引用時(shí)，Zend才會(huì)執(zhí)行Copy-On-Write。

　　1.1.3 zval狀態(tài)切換

　　當(dāng)在一個(gè)zval上進(jìn)行的所有賦值操作都是引用或者都是非引用時(shí)，一個(gè)is_ref就足夠應(yīng)付了。然而，世界總不會(huì)那么美好，PHP無法對(duì)用戶進(jìn)行這種限制，當(dāng)我們混合使用引用和非引用賦值時(shí)，就必須要進(jìn)行特別處理了。

　　情況I、看如下PHP代碼：

1. <!--p $a = 1;  $b = &$a;  $c = &$b;  $d = $c;  // 在一堆引用賦值中，插入一個(gè)非引用--> 

　　全過程如下所示：

　　這段代碼的前三句將把a(bǔ)、b和c指向一個(gè)zval，其is_ref=1, refcount=3;第四句是個(gè)非引用賦值，通常情況下只需要增加引用計(jì)數(shù)即可，然而目標(biāo)zval屬于引用變量，單純的增加引用計(jì)數(shù)顯然是錯(cuò)誤的， Zend的解決辦法是為d單獨(dú)生成一份zval副本。

　　1.1.1 參數(shù)傳遞

　　PHP函數(shù)參數(shù)的傳遞和變量賦值是一樣的，非引用傳遞相當(dāng)于非引用賦值，引用傳遞相當(dāng)于引用賦值，并且也有可能會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行zval狀態(tài)切換。這在后面還將提到。

　　1.2 HashTable結(jié)構(gòu)

　　HashTable是Zend引擎中最重要、使用最廣泛的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它被用來存儲(chǔ)幾乎所有的東西。

　　1.1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　HashTable數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

1. typedef struct bucket { 
2.     ulong h;                // 存放hash 
3.     uint nKeyLength; 
4.     void *pData;            // 指向value，是用戶數(shù)據(jù)的副本 
5.     void *pDataPtr; 
6.     struct bucket *pListNext;   // pListNext和pListLast組成 
7.     struct bucket *pListLast;   // 整個(gè)HashTable的雙鏈表 
8.     struct bucket *pNext;       // pNext和pLast用于組成某個(gè)hash對(duì)應(yīng) 
9.     struct bucket *pLast;       // 的雙鏈表 
10.     char arKey[1];              // key 
11. } Bucket; 
12.  
13. typedef struct _hashtable { 
14.     uint nTableSize; 
15.     uint nTableMask; 
16.     uint nNumOfElements; 
17.     ulong nNextFreeElement; 
18.     Bucket *pInternalPointer;   /* Used for element traversal */ 
19.     Bucket *pListHead; 
20.     Bucket *pListTail; 
21.     Bucket **arBuckets;         // hash數(shù)組 
22.     dtor_func_t pDestructor;    // HashTable初始化時(shí)指定，銷毀Bucket時(shí)調(diào)用 
23.     zend_bool persistent;       // 是否采用C的內(nèi)存分配例程 
24.     unsigned char nApplyCount; 
25.     zend_bool bApplyProtection; 
26. #if ZEND_DEBUG 
27.     int inconsistent; 
28. #endif 
29. } HashTable; 

　　總的來說，Zend的HashTable是一種鏈表散列，同時(shí)也為線性遍歷進(jìn)行了優(yōu)化。

　　HashTable中包含兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一個(gè)鏈表散列和一個(gè)雙向鏈表，前者用于進(jìn)行快速鍵-值查詢，后者方便線性遍歷和排序，一個(gè)Bucket同時(shí)存在于這兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

　　關(guān)于該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的幾點(diǎn)解釋：

　　l 鏈表散列中為什么使用雙向鏈表?

　　一般的鏈表散列只需要按key進(jìn)行操作，只需要單鏈表就夠了。但是，Zend有時(shí)需要從鏈表散列中刪除給定的Bucket，使用雙鏈表可以非常高效的實(shí)現(xiàn)。

　　l nTableMask是干什么的?

　　這個(gè)值用于hash值到arBuckets數(shù)組下標(biāo)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)初始化一個(gè)HashTable，Zend首先為arBuckets數(shù)組分配nTableSize大小的內(nèi)存，nTableSize取不小于用戶指定大小的最小的2^n，即二進(jìn)制的10*。nTableMask = nTableSize – 1，即二進(jìn)制的01*，此時(shí)h & nTableMask就恰好落在 [0, nTableSize – 1] 里，Zend就以其為index來訪問arBuckets數(shù)組。

　　l pDataPtr是干什么的?

　　通常情況下，當(dāng)用戶插入一個(gè)鍵值對(duì)時(shí)，Zend會(huì)將value復(fù)制一份，并將pData指向value副本。復(fù)制操作需要調(diào)用Zend內(nèi)部例程 emalloc來分配內(nèi)存，這是個(gè)非常耗時(shí)的操作，并且會(huì)消耗比value大的一塊內(nèi)存(多出的內(nèi)存用于存放cookie)，如果value很小的話，將會(huì)造成較大的浪費(fèi)?？紤]到HashTable多用于存放指針值，于是Zend引入pDataPtr，當(dāng)value小到和指針一樣長時(shí)，Zend就直接將其復(fù)制到pDataPtr里，并且將pData指向pDataPtr。這就避免了emalloc操作，同時(shí)也有利于提高Cache命中率。

　　arKey大小為什么只有1?為什么不使用指針管理key?

　　arKey是存放key的數(shù)組，但其大小卻只有1，并不足以放下key。在HashTable的初始化函數(shù)里可以找到如下代碼：

　　1p = (Bucket *) pemalloc(sizeof(Bucket) - 1 + nKeyLength, ht->persistent);

　　可見，Zend為一個(gè)Bucket分配了一塊足夠放下自己和key的內(nèi)存，

　　l 上半部分是Bucket，下半部分是key，而arKey“恰好”是Bucket的最后一個(gè)元素，于是就可以使用arKey來訪問key了。這種手法在內(nèi)存管理例程中最為常見，當(dāng)分配內(nèi)存時(shí)，實(shí)際上是分配了比指定大小要大的內(nèi)存，多出的上半部分通常被稱為cookie，它存儲(chǔ)了這塊內(nèi)存的信息，比如塊大小、上一塊指針、下一塊指針等，baidu的Transmit程序就使用了這種方法。

　　不用指針管理key，是為了減少一次emalloc操作，同時(shí)也可以提高Cache命中率。另一個(gè)必需的理由是，key絕大部分情況下是固定不變的，不會(huì)因?yàn)閗ey變長了而導(dǎo)致重新分配整個(gè)Bucket。這同時(shí)也解釋了為什么不把value也一起作為數(shù)組分配了——因?yàn)関alue是可變的。

　　1.2.2 PHP數(shù)組

　　關(guān)于HashTable還有一個(gè)疑問沒有回答，就是nNextFreeElement是干什么的?

　　不同于一般的散列，Zend的HashTable允許用戶直接指定hash值，而忽略key，甚至可以不指定key(此時(shí)，nKeyLength為0)。同時(shí)，HashTable也支持append操作，用戶連hash值也不用指定，只需要提供value，此時(shí)，Zend就用nNextFreeElement作為hash，之后將nNextFreeElement遞增。

　　HashTable的這種行為看起來很奇怪，因?yàn)檫@將無法按key訪問value，已經(jīng)完全不是個(gè)散列了。理解問題的關(guān)鍵在于，PHP數(shù)組就是使用HashTable實(shí)現(xiàn)的——關(guān)聯(lián)數(shù)組使用正常的k-v映射將元素加入HashTable，其key為用戶指定的字符串;非關(guān)聯(lián)數(shù)組則直接使用數(shù)組下標(biāo)作為hash值，不存在key;而當(dāng)在一個(gè)數(shù)組中混合使用關(guān)聯(lián)和非關(guān)聯(lián)時(shí)，或者使用array_push操作時(shí)，就需要用nNextFreeElement了。

　　再來看value，PHP數(shù)組的value直接使用了zval這個(gè)通用結(jié)構(gòu)，pData指向的是zval*，按照上一節(jié)的介紹，這個(gè)zval*將直接存儲(chǔ)在pDataPtr里。由于直接使用了zval，數(shù)組的元素可以是任意PHP類型。

　　數(shù)組的遍歷操作，即foreach、each等，是通過HashTable的雙向鏈表來進(jìn)行的，pInternalPointer作為游標(biāo)記錄了當(dāng)前位置。

　　1.2.3 變量符號(hào)表

　　除了數(shù)組，HashTable還被用來存儲(chǔ)許多其他數(shù)據(jù)，比如，PHP函數(shù)、變量符號(hào)、加載的模塊、類成員等。

　　一個(gè)變量符號(hào)表就相當(dāng)于一個(gè)關(guān)聯(lián)數(shù)組，其key是變量名(可見，使用很長的變量名并不是個(gè)好主意)，value是zval*。

　　在任一時(shí)刻PHP代碼都可以看見兩個(gè)變量符號(hào)表——symbol_table和active_symbol_table——前者用于存儲(chǔ)全局變量，稱為全局符號(hào)表;后者是個(gè)指針，指向當(dāng)前活動(dòng)的變量符號(hào)表，通常情況下就是全局符號(hào)表。但是，當(dāng)每次進(jìn)入一個(gè)PHP函數(shù)時(shí)(此處指的是用戶使用PHP代碼創(chuàng)建的函數(shù))，Zend都會(huì)創(chuàng)建函數(shù)局部的變量符號(hào)表，并將active_symbol_table指向局部符號(hào)表。Zend總是使用active_symbol_table來訪問變量，這樣就實(shí)現(xiàn)了局部變量的作用域控制。

　　但如果在函數(shù)局部訪問標(biāo)記為global的變量，Zend會(huì)進(jìn)行特殊處理——在active_symbol_table中創(chuàng)建symbol_table中同名變量的引用，如果symbol_table中沒有同名變量則會(huì)先創(chuàng)建。

　　1.3 內(nèi)存和文件

　　程序擁有的資源一般包括內(nèi)存和文件，對(duì)于通常的程序，這些資源是面向進(jìn)程的，當(dāng)進(jìn)程結(jié)束后，操作系統(tǒng)或C庫會(huì)自動(dòng)回收那些我們沒有顯式釋放的資源。

　　但是，PHP程序有其特殊性，它是基于頁面的，一個(gè)頁面運(yùn)行時(shí)同樣也會(huì)申請(qǐng)內(nèi)存或文件這樣的資源，然而當(dāng)頁面運(yùn)行結(jié)束后，操作系統(tǒng)或C庫也許不會(huì)知道需要進(jìn)行資源回收。比如，我們將php作為模塊編譯到apache里，并且以prefork或worker模式運(yùn)行apache。這種情況下apache進(jìn)程或線程是復(fù)用的，php頁面分配的內(nèi)存將永駐內(nèi)存直到出core。

　　為了解決這種問題，Zend提供了一套內(nèi)存分配API，它們的作用和C中相應(yīng)函數(shù)一樣，不同的是這些函數(shù)從Zend自己的內(nèi)存池中分配內(nèi)存，并且它們可以實(shí)現(xiàn)基于頁面的自動(dòng)回收。在我們的模塊中，為頁面分配的內(nèi)存應(yīng)該使用這些API，而不是C例程，否則Zend會(huì)在頁面結(jié)束時(shí)嘗試efree掉我們的內(nèi)存，其結(jié)果通常就是crush。

　　emalloc()

　　efree()

　　estrdup()

　　estrndup()

　　ecalloc()

　　erealloc()

　　另外，Zend還提供了一組形如VCWD_xxx的宏用于替代C庫和操作系統(tǒng)相應(yīng)的文件API，這些宏能夠支持PHP的虛擬工作目錄，在模塊代碼中應(yīng)該總是使用它們。宏的具體定義參見PHP源代碼”TSRM/tsrm_virtual_cwd.h”。可能你會(huì)注意到，所有那些宏中并沒有提供close操作，這是因?yàn)閏lose的對(duì)象是已打開的資源，不涉及到文件路徑，因此可以直接使用C或操作系統(tǒng)例程;同理，read/write之類的操作也是直接使用C或操作系統(tǒng)的例程。

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