执行流程

3.3.2 执行流程

Zend的executor与linux二进制程序执行的过程是非常类似的,在C程序执行时有两个寄存器ebp、esp分别指向当前作用栈的栈顶、栈底,局部变量全部分配在当前栈,函数调用、返回通过callret指令完成,调用时call将当前执行位置压入栈中,返回时ret将之前执行位置出栈,跳回旧的位置继续执行,在Zend VM中zend_execute_data就扮演了这两个角色,zend_execute_data.prev_execute_data保存的是调用方的信息,实现了call/retzend_execute_data后面会分配额外的内存空间用于局部变量的存储,实现了ebp/esp的作用。

注意:在执行前分配内存时并不仅仅是分配了zend_execute_data大小的空间,除了sizeof(zend_execute_data)外还会额外申请一块空间,用于分配局部变量、临时(中间)变量等,具体的分配过程下面会讲到。

Zend执行opcode的简略过程:

  • step1: 为当前作用域分配一块内存,充当运行栈,zend_execute_data结构、所有局部变量、中间变量等等都在此内存上分配
  • step2: 初始化全局变量符号表,然后将全局执行位置指针EG(current_execute_data)指向step1新分配的zend_execute_data,然后将zend_execute_data.opline指向op_array的起始位置
  • step3: 从EX(opline)开始调用各opcode的C处理handler(即_zend_op.handler),每执行完一条opcode将EX(opline)++继续执行下一条,直到执行完全部opcode,函数/类成员方法调用、if的执行过程:
    • step3.1: if语句将根据条件的成立与否决定EX(opline) + offset所加的偏移量,实现跳转
    • step3.2: 如果是函数调用,则首先从EG(function_table)中根据function_name取出此function对应的编译完成的zend_op_array,然后像step1一样新分配一个zend_execute_data结构,将EG(current_execute_data)赋值给新结构的prev_execute_data,再将EG(current_execute_data)指向新的zend_execute_data,最后从新的zend_execute_data.opline开始执行,切换到函数内部,函数执行完以后将EG(current_execute_data)重新指向EX(prev_execute_data),释放分配的运行栈,销毁局部变量,继续从原来函数调用的位置执行
    • step3.3: 类方法的调用与函数基本相同,后面分析对象实现的时候再详细分析
  • step4: 全部opcode执行完成后将step1分配的内存释放,这个过程会将所有的局部变量"销毁",执行阶段结束

zend_execute

接下来详细看下整个流程。

Zend执行入口为位于zend_vm_execute.h文件中的__zend_execute()__:

ZEND_API void zend_execute(zend_op_array *op_array, zval *return_value)
{
    zend_execute_data *execute_data;

    if (EG(exception) != NULL) {
        return;
    }

    //分配zend_execute_data
    execute_data = zend_vm_stack_push_call_frame(ZEND_CALL_TOP_CODE,
            (zend_function*)op_array, 0, zend_get_called_scope(EG(current_execute_data)), zend_get_this_object(EG(current_execute_data)));
    if (EG(current_execute_data)) {
        execute_data->symbol_table = zend_rebuild_symbol_table();
    } else {
        execute_data->symbol_table = &EG(symbol_table);
    }
    EX(prev_execute_data) = EG(current_execute_data); //=> execute_data->prev_execute_data = EG(current_execute_data);
    i_init_execute_data(execute_data, op_array, return_value); //初始化execute_data
    zend_execute_ex(execute_data); //执行opcode
    zend_vm_stack_free_call_frame(execute_data); //释放execute_data:销毁所有的PHP变量
}

上面的过程分为四步:

(1)分配stack

zend_vm_stack_push_call_frame函数分配一块用于当前作用域的内存空间,返回结果是zend_execute_data的起始位置。

//zend_execute.h
static zend_always_inline zend_execute_data *zend_vm_stack_push_call_frame(uint32_t call_info, zend_function *func, uint32_t num_args, ...)
{
    uint32_t used_stack = zend_vm_calc_used_stack(num_args, func);

    return zend_vm_stack_push_call_frame_ex(used_stack, call_info,
        func, num_args, called_scope, object);
}

首先根据zend_execute_data、当前zend_op_array中局部/临时变量数计算需要的内存空间:

//zend_execute.h
static zend_always_inline uint32_t zend_vm_calc_used_stack(uint32_t num_args, zend_function *func)
{
    uint32_t used_stack = ZEND_CALL_FRAME_SLOT + num_args; //内部函数只用这么多,临时变量是编译过程中根据PHP的代码优化出的值,比如:`"hi~".time()`,而在内部函数中则没有这种情况

    if (EXPECTED(ZEND_USER_CODE(func->type))) { //在php脚本中写的function
        used_stack += func->op_array.last_var + func->op_array.T - MIN(func->op_array.num_args, num_args);
    }
    return used_stack * sizeof(zval);
}

//zend_compile.h
#define ZEND_CALL_FRAME_SLOT \
    ((int)((ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(sizeof(zend_execute_data)) + ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(sizeof(zval)) - 1) / ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(sizeof(zval))))

回想下前面编译阶段zend_op_array的结果,在编译过程中已经确定当前作用域下有多少个局部变量(func->op_array.last_var)、临时/中间/无用变量(func->op_array.T),从而在执行之初就将他们全部分配完成:

  • __last_var__:PHP代码中定义的变量数,zend_op.op{1|2}_type = IS_CV 或 result_type & IS_CV的全部数量
  • T:表示用到的临时变量、无用变量等,zend_op.op{1|2}_type = IS_TMP_VAR|IS_VAR 或resulte_type & (IS_TMP_VAR|IS_VAR)的全部数量

比如赋值操作:$a = 1234;,编译后last_var = 1,T = 1last_var$a,这里为什么会有T?因为赋值语句有一个结果返回值,只是这个值没有用到,假如这么用结果就会用到了if(($a = 1234) == true){...},这时候$a = 1234;的返回结果类型是IS_VAR,记在T上。

num_args为函数调用时的实际传入参数数量,func->op_array.num_args为全部参数数量,所以MIN(func->op_array.num_args, num_args)等于num_args,在自定义函数中used_stack=ZEND_CALL_FRAME_SLOT + func->op_array.last_var + func->op_array.T,而在调用内部函数时则只需要分配实际传入参数的空间即可,内部函数不会有临时变量的概念。

最终分配的内存空间如下图:

var_T

这里实际分配内存时并不是直接malloc的,还记得上面EG结构中有个vm_stack吗?实际内存是从这里获取的,每次从EG(vm_stack_top)处开始分配,分配完再将此指针指向EG(vm_stack_top) + used_stack,这里不再对vm_stack作更多分析,更下层实际就是Zend的内存池(zend_alloc.c),后面也会单独分析。

static zend_always_inline zend_execute_data *zend_vm_stack_push_call_frame_ex(uint32_t used_stack, ...)
{
    zend_execute_data *call = (zend_execute_data*)EG(vm_stack_top);
    ...

    //当前vm_stack是否够用
    if (UNEXPECTED(used_stack > (size_t)(((char*)EG(vm_stack_end)) - (char*)call))) {
        call = (zend_execute_data*)zend_vm_stack_extend(used_stack); //新开辟一块vm_stack
        ...
    }else{ //空间够用,直接分配
        EG(vm_stack_top) = (zval*)((char*)call + used_stack);
        ...
    }

    call->func = func;
    ...
    return call;
}

(2)初始化zend_execute_data

注意,这里的初始化是整个php脚本最初的那个,并不是指函数调用时的,这一步的操作主要是设置几个指针:oplinecallreturn_value,同时将PHP的全局变量添加到EG(symbol_table)中去:

//zend_execute.c
static zend_always_inline void i_init_execute_data(zend_execute_data *execute_data, zend_op_array *op_array, zval *return_value)
{
    EX(opline) = op_array->opcodes;
    EX(call) = NULL;
    EX(return_value) = return_value;

    if (UNEXPECTED(EX(symbol_table) != NULL)) {
        ...
        zend_attach_symbol_table(execute_data);//将全局变量添加到EG(symbol_table)中一份,因为此处的execute_data是PHP脚本最初的那个,不是function的,所以所有的变量都是全局的
    }else{ //这个分支的情况还未深入分析,后面碰到再补充
        ...
    }
}

zend_attach_symbol_table()的作用是把当前作用域下的变量添加到EG(symbol_table)哈希表中,也就是全局变量,函数中通过global关键词获取的全局变量正是在此时添加的,EG(symbol_table)中的值间接的指向zend_execute_data中的局部变量,两者的结构如下图所示:

(3)执行opcode

这一步开始具体执行opcode指令,这里调用的是zend_execute_ex,这是一个函数指针,如果此指针没有被任何扩展重新定义那么将由默认的execute_ex处理:

# define ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS_PASSTHRU execute_data

ZEND_API void execute_ex(zend_execute_data *ex)
{
    zend_execute_data *execute_data = ex;

    while(1) {
        int ret;
        if (UNEXPECTED((ret = ((opcode_handler_t)EX(opline)->handler)(execute_data /*ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS_PASSTHRU*/)) != 0)) {
            if (EXPECTED(ret > 0)) { //调到新的位置执行:函数调用时的情况
                execute_data = EG(current_execute_data);
            }else{
                return;
            }
        }
    }
}

大概的执行过程上面已经介绍过了,这里只分析下整体执行流程,至于PHP各语法具体的handler处理后面会单独列一章详细分析。

(4)释放stack

这一步就比较简单了,只是将申请的zend_execute_data内存释放给内存池(注意这里并不是变量的销毁),具体的操作只需要修改几个指针即可:

static zend_always_inline void zend_vm_stack_free_call_frame_ex(uint32_t call_info, zend_execute_data *call)
{
    ZEND_ASSERT_VM_STACK_GLOBAL;

    if (UNEXPECTED(call_info & ZEND_CALL_ALLOCATED)) {
        zend_vm_stack p = EG(vm_stack);

        zend_vm_stack prev = p->prev;

        EG(vm_stack_top) = prev->top;
        EG(vm_stack_end) = prev->end;
        EG(vm_stack) = prev;
        efree(p);

    } else {
        EG(vm_stack_top) = (zval*)call;
    }

    ZEND_ASSERT_VM_STACK_GLOBAL;
}

static zend_always_inline void zend_vm_stack_free_call_frame(zend_execute_data *call)
{
    zend_vm_stack_free_call_frame_ex(ZEND_CALL_INFO(call), call);
}
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