PHP内核中OPCODE是什么
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OPCODE
什么是 OPCODE?它是一种虚拟机能够识别并处理的指令。Zend 虚拟机包含了一系列的 OPCODE,通过 OPCODE 虚拟机能够做很多事情,列举几个 OPCODE 的例子:
ZEND_ADD
将两个操作数相加。ZEND_NEW
创建一个 PHP 对象。ZEND_ECHO
将内容输出到标准输出中。ZEND_EXIT
退出 PHP。
诸如此类的操作,PHP 定义了186个(随着 PHP 的更新,肯定会支持更多种类的 OPCODE),所有的 OPCODE 的定义和实现都可以在源码的 zend/zend_vm_def.h
文件(这个文件的内容并不是原生的 C 代码,而是一个模板,后面会说明原因)中查阅到。
我们来看下 PHP 是如何设计 OPCODE 数据结构:
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; };
仔细观察 OPCODE 的数据结构,是不是能找到汇编语言的感觉。每一个 OPCODE 都包含两个操作数,op1
和 op2
,handler
指针则指向了执行该 OPCODE 操作的函数,函数处理后的结果,会被保存在 result
中。
我们举一个简单的例子:
我们通过 vld 扩展看到,经过编译的后,上面的代码生成了 ZEND_ADD 指令的 OPCODE。
compiled vars: !0 = $b, !1 = $a line #* E I O op fetch ext return operands------------------------------------------------------------------------------------- 2 0 E > ASSIGN !0, 1 3 1 ADD ~3 !0, 2 2 ASSIGN !1, ~3 8 3 > RETURN 1其中,第二行是
ZEND_ADD
指令的 OPCODE。我们看到,它接收2个操作数,op1
是变量$b
,op2
是数字常量1,返回的结果存入了临时变量中。在zend/zend_vm_def.h
文件中,我们可以找到 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 = 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)) { ... }上面的代码并不是原生的 C 代码,而是一种模板。
为什么这样做?因为 PHP 是弱类型语言,而其实现的 C 则是强类型语言。弱类型语言支持自动类型匹配,而自动类型匹配的实现方式,就像上述代码一样,通过判断来处理不同类型的参数。试想一下,如果每一个 OPCODE 处理的时候都需要判断传入的参数类型,那么性能势必成为极大的问题(一次请求需要处理的 OPCODE 可能能达到成千上万个)。
哪有什么办法吗?我们发现在编译的时候,已经能够确定每个操作数的类型(可能是常量还是变量)。所以,PHP 真正执行时的 C 代码,不同类型操作数将分成不同的函数,供虚拟机直接调用。这部分代码放在了
zend/zend_vm_execute.h
中,展开后的文件相当大,而且我们注意到还有这样的代码:if (IS_CONST == IS_CV) {完全没有什么意义是吧?不过没有关系,C 的编译器会自动优化这样判断。大多数情况,我们希望了解某个 OPCODE 处理的逻辑,还是通过阅读模板文件
zend/zend_vm_def.h
比较容易。顺便说一下,根据模板生成 C 代码的程序就是用 PHP 实现的。执行过程
准确的来说,PHP 的执行分成了两大部分:编译和执行。这里我将不会详细展开编译的部分,而是把焦点放在执行的过程。
通过语法、词法分析等一系列的编译过程后,我们得到了一个名为 OPArray 的数据,其结构如下:
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]; };内容超多对吧?简单的理解,其本质就是一个 OPCODE 数组外加执行过程中所需要的环境数据的集合。介绍几个相对来说比较重要的字段:
opcodes
存放 OPCODE 的数组。filename
当前执行的脚本的文件名。function_name
当前执行的方法名称。static_variables
静态变量列表。last_try_catch
try_catch_array
当前上下文中,如果出现异常 try-catch-finally 跳转所需的信息。literals
所有诸如字符串 foo 或者数字23,这样的常量字面量集合。
为什么需要生成这样庞大的数据?因为编译时期生成的信息越多,执行时期所需要的时间就越少。
接下来,我们看下 PHP 是如何执行 OPCODE。OPCODE 的执行被放在一个大循环中,这个循环位于 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"); }
这里,我去掉了一些环境变量判断分支,保留了运行的主流程。可以看到,在一个***循环中,虚拟机会不断调用 OPCODE 指定的 handler
函数处理指令集,直到某次指令处理的结果 ret
小于0。注意到,在主流程中并没有移动 OPCODE 数组的当前指针,而是把这个过程放到指令执行的具体函数的结尾。所以,我们在大多数 OPCODE 的实现函数的末尾,都能看到调用这个宏:
ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();
在之前那个简单例子中,我们看到 vld 打印出的执行 OPCODE 数组中,***有一项指令为 ZEND_RETURN
的 OPCODE。但我们编写的 PHP 代码中并没有这样的语句。在编译时期,虚拟机会自动将这个指令加到 OPCODE 数组的结尾。ZEND_RETURN
指令对应的函数会返回 -1,判断执行的结果小于0时,就会退出循环,从而结束程序的运行。
方法调用
如果我们调用一个自定义的函数,虚拟机会如何处理呢?
我们通过 vld 查看生成的 OPCODE。出现了两个 OPCODE 指令执行栈,是因为我们自定义了一个 PHP 函数。在***个执行栈上,调用自定义函数会执行两个 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 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
准备了执行函数时所需要的上下文数据。DO_FCALL
负责执行函数。DO_FCALL
的处理函数根据不同的调用情况处理了大量逻辑,我摘取了其中执行用户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(); }可以看到,
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
(每个自定义函数会在编译的时候生成对应的数据,其数据结构中包含了函数的 OPCODE 数组) 赋值给新的执行上下文对象。然后,调用
zend_execute_ex
函数,开始执行自定义的函数。zend_execute_ex
实际上就是前面提到的execute_ex
函数(默认是这样,但扩展可能重写zend_execute_ex
指针,这个 API 让 PHP 扩展开发者可以通过覆写函数达到扩展功能的目的,不是本篇的主题,不准备深入探讨),只是上下文数据被替换成当前函数所在的上下文数据。我们可以这样理解,最外层的代码就是一个默认存在的函数(类似 C 语言中的
main()
函数),和用户自定义的函数本质上是没有区别的。逻辑跳转
我们知道指令都是顺序执行的,而我们的程序,一般都包含不少的逻辑判断和循环,这部分又是如何通过 OPCODE 实现的呢?
我们还是通过 vld 查看 OPCODE(不得不说 vld 扩展是分析 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我们看到,
JMPZ
和JMP
控制了执行流程。JMP
的逻辑非常简单,将当前的 OPCODE 指针指向需要跳转的 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
仅仅是多了一次判断,根据结果选择是否跳转,这里就不再重复列举了。而处理循环的方式与判断基本上是类似的。compiled vars: !0 = $a, !1 = $nline #* E I O op fetch ext return operands------------------------------------------------------------------------------------- 2 0 E > ASSIGN !0,3 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 循环只需要
JMP
指令即可完成,通过FE_FETCH_R
指令判断是否已经到达数组的结尾,如果到达则退出循环。感谢各位的阅读!关于“PHP内核中OPCODE是什么”这篇文章就分享到这里了,希望以上内容可以对大家有一定的帮助,让大家可以学到更多知识,如果觉得文章不错,可以把它分享出去让更多的人看到吧!
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