PHP內(nèi)核中OPCODE是什么

這篇文章給大家分享的是有關(guān)PHP內(nèi)核中OPCODE是什么的內(nèi)容。小編覺得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，一起跟隨小編過來看看吧。

OPCODE

什么是 OPCODE？它是一種虛擬機(jī)能夠識(shí)別并處理的指令。Zend 虛擬機(jī)包含了一系列的 OPCODE，通過 OPCODE 虛擬機(jī)能夠做很多事情，列舉幾個(gè) OPCODE 的例子：

• ZEND_ADD 將兩個(gè)操作數(shù)相加。

• ZEND_NEW 創(chuàng)建一個(gè) PHP 對象。

• ZEND_ECHO 將內(nèi)容輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出中。

• ZEND_EXIT 退出 PHP。

諸如此類的操作，PHP 定義了186個(gè)（隨著 PHP 的更新，肯定會(huì)支持更多種類的 OPCODE），所有的 OPCODE 的定義和實(shí)現(xiàn)都可以在源碼的 zend/zend_vm_def.h 文件（這個(gè)文件的內(nèi)容并不是原生的 C 代碼，而是一個(gè)模板，后面會(huì)說明原因）中查閱到。

我們來看下 PHP 是如何設(shè)計(jì) OPCODE 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

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;
};

仔細(xì)觀察 OPCODE 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是不是能找到匯編語言的感覺。每一個(gè) OPCODE 都包含兩個(gè)操作數(shù)，op1和 op2，handler 指針則指向了執(zhí)行該 OPCODE 操作的函數(shù)，函數(shù)處理后的結(jié)果，會(huì)被保存在 result 中。

我們舉一個(gè)簡單的例子：

<?php$b = 1;
$a = $b + 2;

我們通過 vld 擴(kuò)展看到，經(jīng)過編譯的后，上面的代碼生成了 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

其中，第二行是 ZEND_ADD 指令的 OPCODE。我們看到，它接收2個(gè)操作數(shù)，op1 是變量 $b，op2 是數(shù)字常量1，返回的結(jié)果存入了臨時(shí)變量中。在 zend/zend_vm_def.h 文件中，我們可以找到 ZEND_ADD 指令對應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

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 = GE***_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)) {

...
}

上面的代碼并不是原生的 C 代碼，而是一種模板。

為什么這樣做？因?yàn)?PHP 是弱類型語言，而其實(shí)現(xiàn)的 C  則是強(qiáng)類型語言。弱類型語言支持自動(dòng)類型匹配，而自動(dòng)類型匹配的實(shí)現(xiàn)方式，就像上述代碼一樣，通過判斷來處理不同類型的參數(shù)。試想一下，如果每一個(gè)  OPCODE 處理的時(shí)候都需要判斷傳入的參數(shù)類型，那么性能勢必成為極大的問題（一次請求需要處理的 OPCODE 可能能達(dá)到成千上萬個(gè)）。

哪有什么辦法嗎？我們發(fā)現(xiàn)在編譯的時(shí)候，已經(jīng)能夠確定每個(gè)操作數(shù)的類型（可能是常量還是變量）。所以，PHP 真正執(zhí)行時(shí)的 C 代碼，不同類型操作數(shù)將分成不同的函數(shù)，供虛擬機(jī)直接調(diào)用。這部分代碼放在了 zend/zend_vm_execute.h 中，展開后的文件相當(dāng)大，而且我們注意到還有這樣的代碼：

if (IS_CONST == IS_CV) {

完全沒有什么意義是吧？不過沒有關(guān)系，C 的編譯器會(huì)自動(dòng)優(yōu)化這樣判斷。大多數(shù)情況，我們希望了解某個(gè) OPCODE 處理的邏輯，還是通過閱讀模板文件 zend/zend_vm_def.h 比較容易。順便說一下，根據(jù)模板生成 C 代碼的程序就是用 PHP 實(shí)現(xiàn)的。

執(zhí)行過程

準(zhǔn)確的來說，PHP 的執(zhí)行分成了兩大部分：編譯和執(zhí)行。這里我將不會(huì)詳細(xì)展開編譯的部分，而是把焦點(diǎn)放在執(zhí)行的過程。

通過語法、詞法分析等一系列的編譯過程后，我們得到了一個(gè)名為 OPArray 的數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)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];
};

內(nèi)容超多對吧？簡單的理解，其本質(zhì)就是一個(gè) OPCODE 數(shù)組外加執(zhí)行過程中所需要的環(huán)境數(shù)據(jù)的集合。介紹幾個(gè)相對來說比較重要的字段：

• opcodes 存放 OPCODE 的數(shù)組。

• filename 當(dāng)前執(zhí)行的腳本的文件名。

• function_name 當(dāng)前執(zhí)行的方法名稱。

• static_variables 靜態(tài)變量列表。

• last_try_catch try_catch_array 當(dāng)前上下文中，如果出現(xiàn)異常 try-catch-finally 跳轉(zhuǎn)所需的信息。

• literals 所有諸如字符串 foo 或者數(shù)字23，這樣的常量字面量集合。

為什么需要生成這樣龐大的數(shù)據(jù)？因?yàn)榫幾g時(shí)期生成的信息越多，執(zhí)行時(shí)期所需要的時(shí)間就越少。

接下來，我們看下 PHP 是如何執(zhí)行 OPCODE。OPCODE 的執(zhí)行被放在一個(gè)大循環(huán)中，這個(gè)循環(huán)位于 zend/zend_vm_execute.h 中的 execute_ex 函數(shù)：

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");
}

這里，我去掉了一些環(huán)境變量判斷分支，保留了運(yùn)行的主流程。可以看到，在一個(gè)***循環(huán)中，虛擬機(jī)會(huì)不斷調(diào)用 OPCODE 指定的 handler 函數(shù)處理指令集，直到某次指令處理的結(jié)果 ret 小于0。注意到，在主流程中并沒有移動(dòng) OPCODE 數(shù)組的當(dāng)前指針，而是把這個(gè)過程放到指令執(zhí)行的具體函數(shù)的結(jié)尾。所以，我們在大多數(shù) OPCODE 的實(shí)現(xiàn)函數(shù)的末尾，都能看到調(diào)用這個(gè)宏：

ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();

在之前那個(gè)簡單例子中，我們看到 vld 打印出的執(zhí)行 OPCODE 數(shù)組中，***有一項(xiàng)指令為 ZEND_RETURN 的 OPCODE。但我們編寫的 PHP 代碼中并沒有這樣的語句。在編譯時(shí)期，虛擬機(jī)會(huì)自動(dòng)將這個(gè)指令加到 OPCODE 數(shù)組的結(jié)尾。ZEND_RETURN 指令對應(yīng)的函數(shù)會(huì)返回 -1，判斷執(zhí)行的結(jié)果小于0時(shí)，就會(huì)退出循環(huán)，從而結(jié)束程序的運(yùn)行。

方法調(diào)用

如果我們調(diào)用一個(gè)自定義的函數(shù)，虛擬機(jī)會(huì)如何處理呢？

<?phpfunction foo() {echo 'test';
}

foo();

我們通過 vld 查看生成的 OPCODE。出現(xiàn)了兩個(gè) OPCODE 指令執(zhí)行棧，是因?yàn)槲覀冏远x了一個(gè) PHP 函數(shù)。在***個(gè)執(zhí)行棧上，調(diào)用自定義函數(shù)會(huì)執(zhí)行兩個(gè) 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                                                   1compiled vars:  none
line     #* E I O op                           fetch          ext  return  operands-------------------------------------------------------------------------------------   3     0  E >   ECHO                                                     'test'
   4     1      > RETURN                                                   null

其中，INIT_FCALL 準(zhǔn)備了執(zhí)行函數(shù)時(shí)所需要的上下文數(shù)據(jù)。DO_FCALL 負(fù)責(zé)執(zhí)行函數(shù)。DO_FCALL 的處理函數(shù)根據(jù)不同的調(diào)用情況處理了大量邏輯，我摘取了其中執(zhí)行用戶定義的函數(shù)的邏輯部分：

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();
}

可以看到，DO_FCALL 首先將調(diào)用函數(shù)前的上下文數(shù)據(jù)保存到 call->prev_execute_data，然后調(diào)用 i_init_func_execute_data 函數(shù)，將自定義函數(shù)對象中的 op_array（每個(gè)自定義函數(shù)會(huì)在編譯的時(shí)候生成對應(yīng)的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含了函數(shù)的 OPCODE 數(shù)組） 賦值給新的執(zhí)行上下文對象。

然后，調(diào)用 zend_execute_ex 函數(shù)，開始執(zhí)行自定義的函數(shù)。zend_execute_ex 實(shí)際上就是前面提到的 execute_ex 函數(shù)（默認(rèn)是這樣，但擴(kuò)展可能重寫 zend_execute_ex 指針，這個(gè) API 讓 PHP 擴(kuò)展開發(fā)者可以通過覆寫函數(shù)達(dá)到擴(kuò)展功能的目的，不是本篇的主題，不準(zhǔn)備深入探討），只是上下文數(shù)據(jù)被替換成當(dāng)前函數(shù)所在的上下文數(shù)據(jù)。

我們可以這樣理解，最外層的代碼就是一個(gè)默認(rèn)存在的函數(shù)（類似 C 語言中的 main()函數(shù)），和用戶自定義的函數(shù)本質(zhì)上是沒有區(qū)別的。

邏輯跳轉(zhuǎn)

我們知道指令都是順序執(zhí)行的，而我們的程序，一般都包含不少的邏輯判斷和循環(huán)，這部分又是如何通過 OPCODE 實(shí)現(xiàn)的呢？

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

我們還是通過 vld 查看 OPCODE（不得不說 vld 擴(kuò)展是分析 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

我們看到，JMPZ 和 JMP 控制了執(zhí)行流程。JMP 的邏輯非常簡單，將當(dāng)前的 OPCODE 指針指向需要跳轉(zhuǎn)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 僅僅是多了一次判斷，根據(jù)結(jié)果選擇是否跳轉(zhuǎn)，這里就不再重復(fù)列舉了。而處理循環(huán)的方式與判斷基本上是類似的。

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

compiled vars:  !0 = $a, !1 = $nline     #* 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

循環(huán)只需要 JMP 指令即可完成，通過 FE_FETCH_R 指令判斷是否已經(jīng)到達(dá)數(shù)組的結(jié)尾，如果到達(dá)則退出循環(huán)。

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