嘉興做網(wǎng)站:PHP內(nèi)核介紹及擴展開發(fā)核心思想基礎(chǔ)知識講解。
一、 基礎(chǔ)知識
本章簡要介紹一些Zend引擎的內(nèi)部機制，這些知識和Extensions密切相關(guān)，同時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
1.1.1 zval結(jié)構(gòu)
Zend使用zval結(jié)構(gòu)來存儲PHP變量的值，該結(jié)構(gòu)如下所示：
typedef union _zvalue_value {
long lval; /* long value */
double dval; /* double value */
struct {
char *val;
int len;
} str;
HashTable *ht; /* hash table value */
zend_object_value obj;
} zvalue_value;
struct _zval_struct {
/* Variable information */
zvalue_value value; /* value */
zend_uint refcount;
zend_uchar type; /* active type */
zend_uchar is_ref;
};
typedef struct _zval_struct zval;
<span id="more-597"></span>Zend根據(jù)type值來決定訪問value的哪個成員，可用值如下：
IS_NULLN/A
IS_LONG對應value.lval
IS_DOUBLE對應value.dval
IS_STRING對應value.str
IS_ARRAY對應value.ht
IS_OBJECT對應value.obj
IS_BOOL對應value.lval.
IS_RESOURCE對應value.lval
根據(jù)這個表格可以發(fā)現(xiàn)兩個有意思的地方：首先是PHP的數(shù)組其實就是一個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long值，它里面存放的通常是個指針、一個內(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handle
1.1.1 引用計數(shù)
引用計數(shù)在垃圾收集、內(nèi)存池以及字符串等地方應用廣泛，Zend就實現(xiàn)了典型的引用計數(shù)。多個PHP變量可以通過引用計數(shù)機制來共享同一份zval，zval中剩余的兩個成員is_ref和refcount就用來支持這種共享。
很明顯，refcount用于計數(shù)，當增減引用時，這個值也相應的遞增和遞減，一旦減到零，Zend就會回收該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，它們在Zend中都是采用引用計數(shù)的方式存儲的。對于非引用型變量，要求變量間互不相干，修改一個變量時，不能影響到其他變量，采用Copy-On-Write機制即可解決這種沖突——當試圖寫入一個變量時，Zend若發(fā)現(xiàn)該變量指向的zval被多個變量共享，則為其復制一份refcount為1的zval，并遞減原zval的refcount，這個過程稱為“zval分離”。然而，對于引用型變量，其要求和非引用型相反，引用賦值的變量間必須是捆綁的，修改一個變量就修改了所有捆綁變量。
可見，有必要指出當前zval的狀態(tài)，以分別應對這兩種情況，is_ref就是這個目的，它指出了當前所有指向該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。此時再修改一個變量，只有當發(fā)現(xiàn)其zval的is_ref為0，即非引用時，Zend才會執(zhí)行Copy-On-Write。
1.1.3 zval狀態(tài)切換
當在一個zval上進行的所有賦值操作都是引用或者都是非引用時，一個is_ref就足夠應付了。然而，世界總不會那么美好，PHP無法對用戶進行這種限制，當我們混合使用引用和非引用賦值時，就必須要進行特別處理了。
情況I、看如下PHP代碼：
<!--p $a = 1; $b = &$a; $c = &$b; $d = $c; // 在一堆引用賦值中，插入一個非引用-->
全過程如下所示：
這段代碼的前三句將把a、b和c指向一個zval，其is_ref=1, refcount=3;第四句是個非引用賦值，通常情況下只需要增加引用計數(shù)即可，然而目標zval屬于引用變量，單純的增加引用計數(shù)顯然是錯誤的， Zend的解決辦法是為d單獨生成一份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，非引用傳遞相當于非引用賦值，引用傳遞相當于引用賦值，并且也有可能會導致執(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：
typedef struct bucket {
ulong h; // 存放hash
uint nKeyLength;
void *pData; // 指向value，是用戶數(shù)據(jù)的副本
void *pDataPtr;
struct bucket *pListNext; // pListNext和pListLast組成
struct bucket *pListLast; // 整個HashTable的雙鏈表
struct bucket *pNext; // pNext和pLast用于組成某個hash對應
struct bucket *pLast; // 的雙鏈表
char arKey[1]; // key
} Bucket;
typedef struct _hashtable {
uint nTableSize;
uint nTableMask;
uint nNumOfElements;
ulong nNextFreeElement;
Bucket *pInternalPointer; /* Used for element traversal */
Bucket *pListHead;
Bucket *pListTail;
Bucket **arBuckets; // hash數(shù)組
dtor_func_t pDestructor; // HashTable初始化時指定，銷毀Bucket時調(diào)用
zend_bool persistent; // 是否采用C的內(nèi)存分配例程
unsigned char nApplyCount;
zend_bool bApplyProtection;
#if ZEND_DEBUG
int inconsistent;
#endif
} HashTable;
總的來說，Zend的HashTable是一種鏈表散列，同時也為線性遍歷進行了優(yōu)化。
HashTable中包含兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一個鏈表散列和一個雙向鏈表，前者用于進行快速鍵-值查詢，后者方便線性遍歷和排序，一個Bucket同時存在于這兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。
關(guān)于該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的幾點解釋：
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進行操作，只需要單鏈表就夠了。但是，Zend有時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現(xiàn)。
l nTableMask是干什么的?
這個值用于hash值到arBuckets數(shù)組下標的轉(zhuǎn)換。當初始化一個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，即二進制的10*。nTableMask = nTableSize – 1，即二進制的01*，此時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，當用戶插入一個鍵值對時，Zend會將value復制一份，并將pData指向value副本。復制操作需要調(diào)用Zend內(nèi)部例程 emalloc來分配內(nèi)存，這是個非常耗時的操作，并且會消耗比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，將會造成較大的浪費。考慮到HashTable多用于存放指針值，于是Zend引入pDataPtr，當value小到和指針一樣長時，Zend就直接將其復制到pDataPtr里，并且將pData指向pDataPtr。這就避免了emalloc操作，同時也有利于提高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，當分配內(nèi)存時，實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，同時也可以提高Cache命中率。另一個必需的理由是，key絕大部分情況下是固定不變的，不會因為key變長了而導致重新分配整個Bucket。這同時也解釋了為什么不把value也一起作為數(shù)組分配了——因為value是可變的。
1.2.2 PHP數(shù)組
關(guān)于HashTable還有一個疑問沒有回答，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，nKeyLength為0)。同時，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，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，因為這將無法按key訪問value，已經(jīng)完全不是個散列了。理解問題的關(guān)鍵在于，PHP數(shù)組就是使用HashTable實現(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)組下標作為hash值，不存在key;而當在一個數(shù)組中混合使用關(guān)聯(lián)和非關(guān)聯(lián)時，或者使用array_push操作時，就需要用nNextFreeElement了。
再來看value，PHP數(shù)組的value直接使用了zval這個通用結(jié)構(gòu)，pData指向的是zval*，按照上一節(jié)的介紹，這個zval*將直接存儲在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的雙向鏈表來進行的，pInternalPointer作為游標記錄了當前位置。
1.2.3 變量符號表
除了數(shù)組，HashTable還被用來存儲許多其他數(shù)據(jù)，比如，PHP函數(shù)、變量符號、加載的模塊、類成員等。
一個變量符號表就相當于一個關(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好主意)，value是zval*。
在任一時刻PHP代碼都可以看見兩個變量符號表——symbol_table和active_symbol_table——前者用于存儲全局變量，稱為全局符號表;后者是個指針，指向當前活動的變量符號表，通常情況下就是全局符號表。但是，當每次進入一個PHP函數(shù)時(此處指的是用戶使用PHP代碼創(chuàng)建的函數(shù))，Zend都會創(chuàng)建函數(shù)局部的變量符號表，并將active_symbol_table指向局部符號表。Zend總是使用active_symbol_table來訪問變量，這樣就實現(xiàn)了局部變量的作用域控制。
但如果在函數(shù)局部訪問標記為global的變量，Zend會進行特殊處理——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，對于通常的程序，這些資源是面向進程的，當進程結(jié)束后，操作系統(tǒng)或C庫會自動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，一個頁面運行時同樣也會申請內(nèi)存或文件這樣的資源，然而當頁面運行結(jié)束后，操作系統(tǒng)或C庫也許不會知道需要進行資源回收。比如，我們將php作為模塊編譯到apache里，并且以prefork或worker模式運行apache。這種情況下apache進程或線程是復用的，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，并且它們可以實現(xiàn)基于頁面的自動回收。在我們的模塊中，為頁面分配的內(nèi)存應該使用這些API，而不是C例程，否則Zend會在頁面結(jié)束時嘗試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，在模塊代碼中應該總是使用它們。宏的具體定義參見PHP源代碼”TSRM/tsrm_virtual_cwd.h”?？赡苣銜⒁獾?，所有那些宏中并沒有提供close操作，這是因為close的對象是已打開的資源，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。
