深刻PHP內核（一）——弱類型變量原理探究

時間 2020-06-08 標籤深刻 php 內核一弱類型變量原理探究

PHP做爲一門簡單而強大的語言，可以提供不少Web適用的語言特性，而從本期《問底》開始，王帥將從實踐出發，帶你弄清PHP內核中一些經常使用的部分，好比這裏的「弱類型變量原理」。

PHP是一門簡單而強大的語言，提供了不少Web適用的語言特性，其中就包括了變量弱類型，在弱類型機制下，你可以給一個變量賦任意類型的值。

PHP的執行是經過Zend Engine（下面簡稱ZE），ZE是使用C編寫，在底層實現了一套弱類型機制。ZE的內存管理使用寫時拷貝、引用計數等優化策略，減小再變量賦值時候的內存拷貝。php

下面不光帶你探索PHP弱類型的原理，也會在寫PHP擴展角度，介紹如何操做PHP的變量。
數據庫

1. PHP的變量類型

PHP的變量類型有8種：數組

標準類型：布爾boolen，整型integer，浮點float，字符string
複雜類型：數組array，對象object
特殊類型：資源resource

PHP不會嚴格檢驗變量類型，變量能夠不顯示的聲明其類型，而在運行期間直接賦值。也能夠將變量自由的轉換類型。以下例，沒有實現聲明的狀況下，$i能夠賦任意類型的值。安全

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<? php $i = 1; //int $i = 'show me the money'; //string $i = 0.02; // float $i = array(1, 2, 3); // array $i = new Exception('test', 123); // object $i = fopen('/tmp/aaa.txt', 'a') // resource ?>

若是你對弱類型原理理解不深入，在變量比較時候，會出現「超出預期」的驚喜。數據結構

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<? PHP $str1 = null; $str2 = false; echo $str1==$str2 ? '相等' : '不相等'; $str3 = ''; $str4 = 0; echo $str3==$str4 ? '相等' : '不相等'; $str5 = 0; $str6 = '0'; echo $str5==$str6 ? '相等' : '不相等'; ?>

以上三個結果所有是相等，由於在變量比較的時候，PHP內部作了變量轉換。若是但願值和類型同時判斷，請使用三個=（如，$a===0）來判斷。也許你會以爲司空見慣，也許你會以爲很神奇，那麼請跟我一塊兒深刻PHP內核，探索PHP變量原理。函數

2. 變量的存儲及標準類型介紹

PHP的全部變量，都是以結構體zval來實現，在Zend/zend.h中咱們能看到zval的定義：優化

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typedef union _zvalue_value { long lval; /* long value */ double dval; /* double value */ struct { char *val; int len; /* this will always be set for strings */ } str; /* string (always has length) */ HashTable *ht; /* an array */ zend_object_value obj; /* stores an object store handle, and handlers */ } zvalue_value;

屬性名	含義	默認值
refcount__gc	表示引用計數	1
is_ref__gc	表示是否爲引用	0
value	存儲變量的值
type	變量具體的類型

其中refcount__gc和is_ref__gc表示變量是不是一個引用。type字段標識變量的類型，type的值能夠是：IS_NULL，IS_BOOL，IS_LONG，IS_FLOAT，IS_STRING，IS_ARRAY，IS_OBJECT，IS_RESOURCE。PHP根據type的類型，來選擇如何存儲到zvalue_value。

zvalue_value可以實現變量弱類型的核心，定義以下：this

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typedef union _zvalue_value { long lval; /* long value */ double dval; /* double value */ struct { char *val; int len; /* this will always be set for strings */ } str; /* string (always has length) */ HashTable *ht; /* an array */ zend_object_value obj; /* stores an object store handle, and handlers */ } zvalue_value;

布爾型，zval.type=IS_BOOL，會讀取zval.value.lval字段，值爲1/0。若是是字符串，zval.type=IS_STRING，會讀取zval.value.str，這是一個結構體，存儲了字符串指針和長度。spa

C語言中，用"\0"做爲字符串結束符。也就是說一個字符串"Hello\0World"在C語言中，用printf來輸出的話，只能輸出hello，由於"\0"會認爲字符已經結束。PHP中是經過結構體的_zval_value.str.len來控制字符串長度，相關函數不會遇到"\0"結束。因此PHP的字符串是二進制安全的。.net

若是是NULL，只須要zval.type=IS_NULL，不須要讀取值。

經過對zval的封裝，PHP實現了弱類型，對於ZE來講，經過zval能夠存取任何類型。

3. 高級類型Array和Object數組Array

數組是PHP語言中很是強大的一個數據結構，分爲索引數組和關聯數組，zval.type=IS_ARRAY。在關聯數組中每一個key能夠存儲任意類型的數據。PHP的數組是用Hash Table實現的，數組的值存在zval.value.ht中。

後面會專門講到PHP哈希表的實現。

對象類型的zval.type=IS_OBJECT，值存在zval.value.obj中。

4. 特殊類型——資源類型(Resource)介紹

資源類型是個很特殊的類型，zval.type=IS_RESOURCE，在PHP中有一些很難用常規類型描述的數據結構，好比文件句柄，對於C語言來講是一個指針，不過PHP中沒有指針的概念，也不能用常規類型來約束，所以PHP經過資源類型概念，把C語言中相似文件指針的變量，用zval結構來封裝。資源類型值是一個整數，ZE會根據這個值去資源的哈希表中獲取。

資源類型的定義：

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typedefstruct_zend_rsrc_list_entry { void *ptr; int type; int refcount; }zend_rsrc_list_entry;

其中，ptr是一個指向資源的最終實現的指針，例如一個文件句柄，或者一個數據庫鏈接結構。type是一個類型標記，用於區分不一樣的資源類型。refcount用於資源的引用計數。

內核中，資源類型是經過函數ZEND_FETCH_RESOURCE獲取的。

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ZEND_FETCH_RESOURCE(con, type, zval *, default, resource_name, resource_type);

5. 變量類型的轉換

按照如今咱們對PHP語言的瞭解，變量的類型依賴於zval.type字段指示，變量的內容按照zval.type存儲到zval.value。當PHP中須要變量的時候，只須要兩個步驟：把zval.value的值或指針改變，再改變zval.type的類型。不過對於PHP的一些高級變量Array/Object/Resource，變量轉換要進行更多操做。

變量轉換原理分爲3種：

5.1 標準類型相互轉換

比較簡單，按照上述的步驟轉化便可。

5.2 標準類型與資源類型轉換

資源類型能夠理解爲是int，比較方便轉換標準類型。轉換後資源會被close或回收。

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<? php $var = fopen('/tmp/aaa.txt', 'a');　// 資源 #1 $var = (int) $var; var_dump($var); // 輸出1 ?>

5.3 標準類型與複雜類型轉換

Array轉換整型int/浮點型float會返回元素個數；轉換bool返回Array中是否有元素；轉換成string返回'Array'，並拋出warning。
詳細內容取決於經驗，請閱讀PHP手冊： http://php.net/manual/en/language.types.type-juggling.php

5.4 複雜類型相互轉換

array和object能夠互轉。若是其它任何類型的值被轉換成對象，將會建立一個內置類stdClass的實例。

在咱們寫PHP擴展的時候，PHP內核提供了一組函數用於類型轉換：

void convert_to_long(zval* pzval)

void convert_to_double(zval* pzval)

void convert_to_long_base(zval* pzval, int base)

void convert_to_null(zval* pzval)

void convert_to_boolean(zval* pzval)

void convert_to_array(zval* pzval)

void convert_to_object(zval* pzval)

void convert_object_to_type(zval* pzval, convert_func_t converter)

PHP內核提供的一組宏來方便的訪問zval，用於更細粒度的獲取zval的值：

內核訪問zval容器的API
宏	訪問變量
Z_LVAL(zval)	(zval).value.lval
Z_DVAL(zval)	(zval).value.dval
Z_STRVAL(zval)	(zval).value.str.val
Z_STRLEN(zval)	(zval).value.str.len
Z_ARRVAL(zval)	(zval). value.ht
Z_TYPE(zval)	(zval).type
Z_LVAL_P(zval)	(*zval).value.lval
Z_DVAL_P(zval)	(*zval).value.dval
Z_STRVAL_P(zval_p)	(*zval).value.str.val
Z_STRLEN_P(zval_p)	(*zval).value.str.len
Z_ARRVAL_P(zval_p)	(*zval). value.ht
Z_OBJ_HT_P(zval_p)	(*zval).value.obj.handlers
Z_LVAL_PP(zval_pp)	(**zval).value.lval
Z_DVAL_PP(zval_pp)	(**zval).value.dval
Z_STRVAL_PP(zval_pp)	(**zval).value.str.val
Z_STRLEN_PP(zval_pp)	(**zval).value.str.len
Z_ARRVAL_PP(zval_pp)	(**zval). value.ht

6. 變量的符號表與做用域

PHP的變量符號表與zval值的映射，是經過HashTable（哈希表，又叫作散列表，下面簡稱HT），HashTable在ZE中普遍使用，包括常量、變量、函數等語言特性都是HT來組織，在PHP的數組類型也是經過HashTable來實現。
舉個例子：

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<? php $var = 'Hello World'; ?>

$var的變量名會存儲在變量符號表中，表明$var的類型和值的zval結構存儲在哈希表中。內核經過變量符號表與zval地址的哈希映射，來實現PHP變量的存取。

爲何要提做用域呢？由於函數內部變量保護。按照做用域PHP的變量分爲全局變量和局部變量，每種做用域PHP都會維護一個符號表的HashTable。當在PHP中建立一個函數或類的時候，ZE會建立一個新的符號表，代表函數或類中的變量是局部變量，這樣就實現了局部變量的保護--外部沒法訪問函數內部的變量。當建立一個PHP變量的時候，ZE會分配一個zval，並設置相應type和初始值，把這個變量加入當前做用域的符號表，這樣用戶才能使用這個變量。
內核中使用ZEND_SET_SYMBOL來設置變量：

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ZEND_SET_SYMBOL( EG(active_symbol_table), "foo", foo);

查看_zend_executor_globals結構

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Zend/zend_globals.h
struct _zend_executor_globals { //略 HashTable symbol_table;//全局變量的符號表 HashTable *active_symbol_table;//局部變量的符號表 //略 };

在寫PHP擴展時候，能夠經過EG宏來訪問PHP的變量符號表。EG(symbol_table)訪問全局做用域的變量符號表，EG(active_symbol_table)訪問當前做用域的變量符號表，局部變量存儲的是指針，在對HashTable進行操做的時候傳遞給相應函數。

爲了更好的理解變量的哈希表與做用域，舉個簡單的例子：

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<? php $temp = 'global'; function test() { $temp = 'active'; } test(); var_dump($temp); ?>

建立函數外的變量$temp，會把這個它加入全局符號表，同時在全局符號表的HashTable中，分配一個字符類型的zval，值爲‘global‘。建立函數test內部變量$temp，會把它加入屬於函數test的符號表，分配字符型zval，值爲’active' 。

7. PHP擴展中變量操做

建立PHP變量

咱們能夠在擴展中調用函數MAKE_STD_ZVAL(pzv)來建立一個PHP可調用的變量，MAKE_STD_ZVAL應用到的宏有：

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#define MAKE_STD_ZVAL(zv) ALLOC_ZVAL(zv);INIT_PZVAL(zv) #define ALLOC_ZVAL(z) ZEND_FAST_ALLOC(z, zval, ZVAL_CACHE_LIST) #define ZEND_FAST_ALLOC(p, type, fc_type) (p) = (type *) emalloc(sizeof(type)) #define INIT_PZVAL(z) (z)->refcount__gc = 1;(z)->is_ref__gc = 0;

MAKE_STD_ZVAL(foo)展開後獲得：

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(foo) = (zval *) emalloc(sizeof(zval)); (foo)->refcount__gc = 1; (foo)->is_ref__gc = 0;

能夠看出，MAKE_STD_ZVAL作了三件事：分配內存、初始化zval結構中的refcount、is_ref。

內核中提供一些宏來簡化咱們的操做，能夠只用一步便設置好zval的類型和值。

API Macros for Accessing zval
宏	實現方法
ZVAL_NULL(pvz)	Z_TYPE_P(pzv) = IS_NULL
ZVAL_BOOL(pvz)	Z_TYPE_P(pzv) = IS_BOOL; Z_BVAL_P(pzv) = b ? 1 : 0;
ZVAL_TRUE(pvz)	ZVAL_BOOL(pzv, 1);
ZVAL_FALSE(pvz)	ZVAL_BOOL(pzv, 0);
ZVAL_LONG(pvz, l)(l 是值)	Z_TYPE_P(pzv) = IS_LONG;Z_LVAL_P(pzv) = l;
ZVAL_DOUBLE(pvz, d)	Z_TYPE_P(pzv) = IS_DOUBLE;Z_LVAL_P(pzv) = d;
ZVAL_STRINGL(pvz, str, len, dup)	Z_TYPE_P(pzv) = IS_STRING;Z_STRLEN_P(pzv) = len; if (dup) { {Z_STRVAL_P(pzv) =estrndup(str, len + 1);} }else { {Z_STRVAL_P(pzv) = str;} }
ZVAL_STRING(pvz, str, len)	ZVAL_STRINGL(pzv, str,strlen(str), dup);
ZVAL_RESOURCE(pvz, res)	Z_TYPE_P(pzv) = IS_RESOURCE;Z_RESVAL_P(pzv) = res;

ZVAL_STRINGL(pzv,str,len,dup)中的dup參數

先闡述一下ZVAL_STRINGL(pzv,str,len,dup); str和len兩個參數很好理解，由於咱們知道內核中保存了字符串的地址和它的長度，後面的dup的意思其實很簡單，它指明瞭該字符串是否須要被複制。值爲 1 將先申請一塊新內存並賦值該字符串，而後把新內存的地址複製給pzv，爲 0 時則是直接把str的地址賦值給zval。

ZVAL_STRINGL與ZVAL_STRING的區別

若是你想在某一位置截取該字符串或已經知道了這個字符串的長度，那麼可使用宏 ZVAL_STRINGL(zval, string, length, duplicate) ，它顯式的指定字符串長度，而不是使用strlen()。這個宏該字符串長度做爲參數。但它是二進制安全的，並且速度也比ZVAL_STRING快，由於少了個strlen。

ZVAL_RESOURCE約等於ZVAL_LONG

在章節4中咱們說過，PHP中的資源類型的值是一個整數，因此ZVAL_RESOURCE和ZVAL_LONG的工做差很少，只不過它會把zval的類型設置爲 IS_RESOURCE。

8. 總結

PHP的弱類型是經過ZE的zval容器轉換完成，經過哈希表來存儲變量名和zval數據，在運行效率方面有必定犧牲。另外由於變量類型的隱性轉換，在開發過程當中對變量類型檢測力度不夠，可能會致使問題出現。

不過PHP的弱類型、數組、內存託管、擴展等語言特性，很是適合Web開發場景，開發效率很高，可以加快產品迭代週期。在海量服務中，一般瓶頸存在於數據訪問層，而不是語言自己。在實際使用PHP不只擔任邏輯層和展示層的任務，咱們甚至用PHP開發的UDPServer/TCPServer做爲數據和cache的中間層。