认识PHP 7虚拟机(1)

### PHP : 一门解释型语言 PHP被称为脚本语言或解释型语言。为何? PHP语言没有被直接编译为机器指令,而是编译为一种中间代码的形式,很显然它无法直接在CPU上执行。 所以PHP的执行需要在进程级虚拟机上(见Virtual machine中的Process virtual machines,下文简称虚拟机)。 PHP语言,包括其他的解释型语言,其实是一个跨平台的被设计用来执行抽象指令的程序。PHP主要用于解决WEB开发相关的问题。 诸如Java, Python, C#, Ruby, Pascal, Lua, Perl, Javascript等编程语言所编写的程序,都需要在虚拟机上执行。虚拟机可以通过JIT编译技术将一部分虚拟机指令编译为机器指令以提高性能。鸟哥已经在进行PHP加入JIT支持的开发了。 使用解释型语言的优点: * 代码编写简单,能够快速开发 * 自动的内存管理 * 抽象的数据类型,程序可移植性高 缺点: * 无法直接地进行内存管理和使用进程资源 * 比编译为机器指令的语言速度慢:通常需要更多的CPU周期来完成相同的任务(JIT试图缩小差距,但永远不能完全消除) * 抽象了太多东西,以至于当程序出问题时,许多程序员难以解释其根本原因 * 最后一条缺点是作者之所以写这篇文章的原因,作者觉得程序员应该去了解一些底层的东西。 作者希望能够通过这篇文章向读者讲明白PHP是如何运行的。本文所提到的关于PHP虚拟机的知识同样可以应用于其他解释型语言。通常,不同虚拟机实现上的最大不同点在于:是否使用JIT、并行的虚拟机指令(一般使用多线程实现,PHP没有使用这一技术)、内存管理/垃圾回收算法。 Zend虚拟机分为两大部分: * 编译:将PHP代码转换为虚拟机指令(OPCode) * 执行:执行生成的虚拟机指令 本文不会涉及到编译部分,主要关注Zend虚拟机的执行引擎。PHP7版本的执行引擎做了一部分重构,使得PHP代码的执行堆栈更加简单清晰,性能也得到了一些提升。 本文以PHP 7.0.7为示例。 ### OPCode 维基百科对于OPCode的解释: Opcodes can also be found in so-called byte codes and other representations intended for a software interpreter rather than a hardware device. These software based instruction sets often employ slightly higher-level data types and operations than most hardware counterparts, but are nevertheless constructed along similar lines. OPCode与ByteCode在概念上是不同的。 我的个人理解:OPCode作为一条指令,表明要怎么做,而ByteCode由一序列的OPCode/数据组成,表明要做什么。以一个加法为例子,OPCode是告诉执行引擎将参数1和参数2相加,而ByteCode则告诉执行引擎将45和56相加。参考:[Difference between Opcode and Bytecode](http://www.differencebetween.info/difference-between-opcode-and-bytecode)和[Difference between: Opcode, byte code, mnemonics, machine code and assembly](http://stackoverflow.com/questions/17638888/difference-between-opcode-byte-code-mnemonics-machine-code-and-assembly) 在PHP中,Zend/zend_vm_opcodes.h源码文件列出了所有支持的OPCode。通常,每个OPCode的名字都描述了其含义,比如: * ZEND_ADD:对两个操作数执行加法操作 * ZEND_NEW:创建一个对象 * ZEND_FETCH_DIM_R:读取操作数中某个维度的值,比如执行echo $foo[0]语句时,需要获取$foo数组索引为0的值 OPCode以zend_op结构体表示: struct _zend_op { const void *handler; /* 执行该OPCode的C函数 */ znode_op op1; /* 操作数1 */ znode_op op2; /* 操作数2 */ znode_op result; /* 结果 */ uint32_t extended_value; /* 额外的信息 */ uint32_t lineno; /* 该OPCode对应PHP源码所在的行 */ zend_uchar opcode; /* OPCode对应的数值 */ zend_uchar op1_type; /* 操作数1类型 */ zend_uchar op2_type; /* 操作数2类型 */ zend_uchar result_type; /* 结果类型 */ }; 每一条OPcode都以相同的方式执行:OPCode有其对应的C函数,执行该C函数时,可能会用到0、1或2个操作数(op1,op2),最后将结果存储在result中,可能还会有一些额外的信息存储在extended_value。 看下ZEND_ADD的OPCode长什么样子,在Zend/zend_vm_def.h源码文件中: 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 = GET_OP1_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)) { if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_DOUBLE)) { result = EX_VAR(opline->result.var); ZVAL_DOUBLE(result, Z_DVAL_P(op1) + Z_DVAL_P(op2)); ZEND_VM_NEXT_OPCODE(); } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_LONG)) { result = EX_VAR(opline->result.var); ZVAL_DOUBLE(result, Z_DVAL_P(op1) + ((double)Z_LVAL_P(op2))); ZEND_VM_NEXT_OPCODE(); } } SAVE_OPLINE(); if (OP1_TYPE == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) { op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R); } if (OP2_TYPE == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) { op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R); } add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2); FREE_OP1(); FREE_OP2(); ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION(); } { USE_OPLINE zend_free_op free_op1, free_op2; zval *op1, *op2, *result; op1 = GET_OP1_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)) { if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_DOUBLE)) { result = EX_VAR(opline->result.var); ZVAL_DOUBLE(result, Z_DVAL_P(op1) + Z_DVAL_P(op2)); ZEND_VM_NEXT_OPCODE(); } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_LONG)) { result = EX_VAR(opline->result.var); ZVAL_DOUBLE(result, Z_DVAL_P(op1) + ((double)Z_LVAL_P(op2))); ZEND_VM_NEXT_OPCODE(); } } SAVE_OPLINE(); if (OP1_TYPE == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) { op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R); } if (OP2_TYPE == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) { op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R); } add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2); FREE_OP1(); FREE_OP2(); ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION(); } 可以看出这其实不是一个合法的C代码,可以把它看成代码模板。稍微解读下这个代码模板:1 就是在Zend/zend_vm_opcodes.h中define定义的ZEND_ADD的值;ZEND_ADD接收两个操作数,如果两个操作数都为IS_LONG类型,那么就调用fast_long_add_function(该函数内部使用汇编实现加法操作);如果两个操作数,都为IS_DOUBLE类型或者1个是IS_DOUBLE类型,另1个是IS_LONG类型,那么就直接执行double的加法操作;如果存在1个操作数不是IS_LONG或IS_DOUBLE类型,那么就调用add_function(比如两个数组做加法操作);最后检查是否有异常接着执行下一条OPCode。 在Zend/zend_vm_def.h源码文件中的内容其实是OPCode的代码模板,在该源文件的开头处可以看到这样一段注释: /* If you change this file, please regenerate the zend_vm_execute.h and * zend_vm_opcodes.h files by running: * php zend_vm_gen.php */ 说明zend_vm_execute.h和zend_vm_opcodes.h,实际上包括zend_vm_opcodes.c中的C代码正是从Zend/zend_vm_def.h的代码模板生成的。 ### 操作数类型 每个OPCode最多使用两个操作数:op1和op2。每个操作数代表着OPCode的“形参”。例如ZEND_ASSIGN OPCode将op2的值赋值给op1代表的PHP变量,而其result则没有使用到。 操作数的类型(与PHP变量的类型不同)决定了其含义以及使用方式: * IS_CV:Compiled Variable,说明该操作数是一个PHP变量 * IS_TMP_VAR :虚拟机使用的临时内部PHP变量,不能够在不同OPCode中复用(复用的这一点我并不清楚,还没去研究过) * IS_VAR:虚拟机使用的内部PHP变量,能够在不同OPCode中复用(复用的这一点我并不清楚,还没去研究过) * IS_CONST:代表一个常量值 * IS_UNUSED:该操作数没有任何意义,忽略该操作数 操作数的类型对性能优化和内存管理很重要。当一个OPCode的Handler需要读写操作数时,会根据操作数的类型通过不同的方式读写。 以加法例子,说明操作数类型: $a + $b; // IS_CV + IS_CV 1 + $a; // IS_CONST + IS_CV $b + 3 // IS_VAR + IS_CONST !$a + 3; // IS_TMP_VAR + IS_CONST ### OPCode Handler 我们已经知道每个OPCode Handler最多接收2个操作数,并且会根据操作数的类型读写操作数的值。如果在Handler中,通过switch判断类型,然后再读写操作数的值,那么对性能会有很大损耗,因为存在太多的分支判断了(Why is it good to avoid instruction branching where possible?),如下面的伪代码所示: int ZEND_ADD(zend_op *op1, zend_op *op2) { void *op1_value; void *op2_value; switch (op1->type) { case IS_CV: op1_value = read_op_as_a_cv(op1); break; case IS_VAR: op1_value = read_op_as_a_var(op1); break; case IS_CONST: op1_value = read_op_as_a_const(op1); break; case IS_TMP_VAR: op1_value = read_op_as_a_tmp(op1); break; case IS_UNUSED: op1_value = NULL; break; } /* ... same thing to do for op2 .../ /* do something with op1_value and op2_value (perform a math addition ?) */ } 要知道OPCode Handler在PHP执行过程中是会被调用成千上万次的,所以在Handler中对op1、op2做类型判断,对性能并不好。 重新看下ZEND_ADD的代码模板: ZEND_VM_HANDLER(1, ZEND_ADD, CONST|TMPVAR|CV, CONST|TMPVAR|CV) 这说明ZEND_ADD接收op1和op2为CONST或TMPVAR或CV类型的操作数。 前面已经提到zend_vm_execute.h和zend_vm_opcodes.h中的C代码是从Zend/zend_vm_def.h的代码模板生成的。通过查看zend_vm_execute.h,可以看到每个OPCode对应的Handler(C函数),大部分OPCode会对应多个Handler。以ZEND_ADD为例: static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CONST_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CV_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_TMPVAR_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CV_CV_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CV_TMPVAR_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_TMPVAR_CONST_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_TMPVAR_CV_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_TMPVAR_TMPVAR_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) ZEND_ADD的op1和op2的类型都有3种,所以一共生成了9个Handler,每个Handler的命名规范:ZEND_{OPCODE-NAME}_SPEC_{OP1-TYPE}_{OP2-TYPE}_HANDLER()。在编译阶段,操作数的类型是已知的,也就确定了每个编译出来的OPCode对应的Handler了。 那么这些Handler之间有什么不同呢?最大的不同应该就是获取操作数的方式: static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CONST_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) { USE_OPLINE zval *op1, *op2, *result; op1 = EX_CONSTANT(opline->op1); op2 = EX_CONSTANT(opline->op2); if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_LONG)) { /* 省略 */ } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_DOUBLE)) { /* 省略 */ } SAVE_OPLINE(); if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) { //<-------- 这部分代码会被编译器优化掉 op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R); } if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) { //<-------- 这部分代码会被编译器优化掉 op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R); } add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2); ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION(); } static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CV_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) { USE_OPLINE zval *op1, *op2, *result; op1 = EX_CONSTANT(opline->op1); op2 = _get_zval_ptr_cv_undef(execute_data, opline->op2.var); //<-------- op2的获取方式与上面的CONST不同 if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_LONG)) { /* 省略 */ } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_DOUBLE)) { /* 省略 */ } SAVE_OPLINE(); if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) { //<-------- 这部分代码会被编译器优化掉 op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R); } if (IS_CV == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) { //<-------- IS_CV == IS_CV && 也会被编译器优化掉 op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R); } add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2); ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION(); } ZEND_ADD的op1和op2的类型都有3种,所以一共生成了9个Handler,每个Handler的命名规范:ZEND_{OPCODE-NAME}_SPEC_{OP1-TYPE}_{OP2-TYPE}_HANDLER()。在编译阶段,操作数的类型是已知的,也就确定了每个编译出来的OPCode对应的Handler了。 那么这些Handler之间有什么不同呢?最大的不同应该就是获取操作数的方式: static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CONST_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) { USE_OPLINE zval *op1, *op2, *result; op1 = EX_CONSTANT(opline->op1); op2 = EX_CONSTANT(opline->op2); if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_LONG)) { /* 省略 */ } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_DOUBLE)) { /* 省略 */ } SAVE_OPLINE(); if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) { //<-------- 这部分代码会被编译器优化掉 op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R); } if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) { //<-------- 这部分代码会被编译器优化掉 op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R); } add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2); ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION(); } static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CV_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) { USE_OPLINE zval *op1, *op2, *result; op1 = EX_CONSTANT(opline->op1); op2 = _get_zval_ptr_cv_undef(execute_data, opline->op2.var); //<-------- op2的获取方式与上面的CONST不同 if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_LONG)) { /* 省略 */ } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_DOUBLE)) { /* 省略 */ } SAVE_OPLINE(); if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) { //<-------- 这部分代码会被编译器优化掉 op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R); } if (IS_CV == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) { //<-------- IS_CV == IS_CV && 也会被编译器优化掉 op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R); } add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2); ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION(); }
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