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PHP 是一種適用于 web 開發(fā)的腳本語言，可以將它看做是一個(gè)用C語言實(shí)現(xiàn)的包含大量組件的軟件框架。

了解 PHP 的底層實(shí)現(xiàn)，有助于我們更好的運(yùn)用它，優(yōu)化我們程序的性能，從而實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大的功能。

PHP 的設(shè)計(jì)理念及特點(diǎn)

PHP 被設(shè)計(jì)為一種適用于 Web 開發(fā)的動(dòng)態(tài)腳本語言，底層完全由C語言實(shí)現(xiàn)，它具備以下特點(diǎn)。

• 解釋型：程序一行一行的邊解釋邊運(yùn)行；
• 弱類型：和 C/C++、JAVA、C# 等語言不同，PHP 是一種弱類型的語言。定義 PHP 變量時(shí)不用指明它的類型，它的類型根據(jù)賦值的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整；另外，一個(gè)變量的類型也不是一成不變的，在運(yùn)行過程中可以給變量賦值不同類型的數(shù)據(jù)，從而修改變量的類型。這種機(jī)制的靈活性在 Web 開發(fā)中非常方便和高效；
• 多進(jìn)程模型：由于 PHP 是多進(jìn)程模型，不同請(qǐng)求間互不干涉，這樣保證了一個(gè)請(qǐng)求掛掉不會(huì)對(duì)全盤服務(wù)造成影響；當(dāng)然，隨著時(shí)代發(fā)展，PHP 也已經(jīng)支持了多線程模型；
• 使用引擎（Zend） + 組件（ext）的模式降低內(nèi)部耦合；
• 中間層（sapi）隔絕 web server 和 PHP。

PHP 的四層體系

PHP 的核心架構(gòu)如下圖所示：

從上圖可以看出，PHP 從下到上是可以分為 4 層：

1) Zend 引擎（核心）

Zend 引擎整體用C語言實(shí)現(xiàn)，是 PHP 的內(nèi)核部分，它負(fù)責(zé)將 PHP 代碼翻譯（詞法、語法解析等一系列編譯過程）為可執(zhí)行的 opcode 操作碼，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的處理方法、基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如 hashtable、oo）、內(nèi)存分配及管理、提供相應(yīng)的 API 方法供外部調(diào)用。

Zend 是一切的核心，所有的外圍功能均圍繞 Zend 實(shí)現(xiàn)。

2) Extensions（擴(kuò)展）

圍繞著 Zend 引擎，Extensions 通過組件化的方式提供各種基礎(chǔ)服務(wù)，我們常見的各種內(nèi)置函數(shù)（例如變量操作函數(shù)、字符串操作函數(shù)等）以及標(biāo)準(zhǔn)庫等都是通過 Extensions 來實(shí)現(xiàn)。

用戶也可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)自己的 Extension 組件以達(dá)到功能擴(kuò)展、性能優(yōu)化等目的，這就是高手常說的“編寫 PHP 擴(kuò)展”。

3) SAPI（服務(wù)器應(yīng)用程序編程接口）

SAPI 全稱是 Server Application Programming Interface，譯為“服務(wù)器應(yīng)用程序編程接口”。

SAPI 通過一系列鉤子函數(shù)，使得 PHP 可以和外圍交互數(shù)據(jù)，這是 PHP 非常優(yōu)雅和成功的一個(gè)設(shè)計(jì)，通過 SAPI 成功的將 PHP 本身和上層應(yīng)用解耦隔離，PHP 可以不再考慮如何針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行兼容，而應(yīng)用本身也可以針對(duì)自己的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同的處理方式。

4) Application（上層應(yīng)用）

這就是我們平時(shí)編寫的 PHP 程序，通過不同的 SAPI 方式得到各種各樣的應(yīng)用模式，例如通過 Web 服務(wù)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站后臺(tái)、在命令行下以腳本方式運(yùn)行等。

總結(jié)

如果將 PHP 看作一輛汽車，那么車的框架就是 PHP 本身，Zend 是車的引擎（發(fā)動(dòng)機(jī)），Ext 下面的各種組件就是車的輪子，SAPI 可以看做是公路，車可以跑在不同類型的公路上，而一次 PHP 程序的執(zhí)行就是汽車真正跑在公路上。

要想讓汽車跑得快，性能優(yōu)異的引擎+合適的車輪+正確的跑道都是缺一不可的。

PHP 常見的運(yùn)行模式

SAPI 即服務(wù)器應(yīng)用程序編程接口，是 PHP 與其他應(yīng)用交互的接口，PHP 腳本要執(zhí)行有很多方式，比如通過 Web 服務(wù)器、命令行下或者嵌入在其他程序中。

 

SAPI 提供了一個(gè)和外部通信的接口，常見的 SAPI 有：cgi、fast-cgi、cli、apache 模塊的 DLL、isapi 等。

CGI

CGI 即通用網(wǎng)關(guān)接口（Common Gateway Interface），它是一段程序，通俗的講 CGI 就象是一座橋，把網(wǎng)頁和 WEB 服務(wù)器中的執(zhí)行程序連接起來，它把 HTML 接收的指令傳遞給服務(wù)器的執(zhí)行程序，再把服務(wù)器執(zhí)行程序的結(jié)果返還給 HTML。

CGI 的跨平臺(tái)性能極佳，幾乎可以在任何操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。

CGI 在遇到連接請(qǐng)求后，會(huì)先要?jiǎng)?chuàng)建 CGI 的子進(jìn)程，激活一個(gè) CGI 進(jìn)程，然后處理請(qǐng)求，處理完后結(jié)束這個(gè)子進(jìn)程，這就是 fork-and-execute 模式。

綜上所述，使用 CGI 方式的服務(wù)器有多少連接請(qǐng)求就會(huì)有多少 CGI 子進(jìn)程，子進(jìn)程反復(fù)加載 會(huì)導(dǎo)致 CGI 性能低下。當(dāng)用戶請(qǐng)求數(shù)量非常多時(shí)，會(huì)大量擠占系統(tǒng)的資源，如內(nèi)存、CPU 時(shí)間等，造成性能低下。

FastCGI

fast-cgi 是 CGI 的升級(jí)版本，F(xiàn)astCGI 像是一個(gè)常駐（long-live）型的 CGI，它激活后可以一直執(zhí)行著。

 

FastCGI 的工作原理：

• Web Server 啟動(dòng)時(shí)載入 FastCGI 進(jìn)程管理器（IIS ISAPI 或 Apache Module）；
• FastCGI 進(jìn)程管理器自身初始化，啟動(dòng)多個(gè) CGI 解釋器進(jìn)程（可見多個(gè) php-cgi）并等待來自 Web Server 的連接；
• 當(dāng)客戶端請(qǐng)求到達(dá) Web Server 時(shí)，F(xiàn)astCGI 進(jìn)程管理器選擇并連接到一個(gè) CGI 解釋器。Web server 將 CGI 環(huán)境變量和標(biāo)準(zhǔn)輸入發(fā)送到 FastCGI子進(jìn)程 php-cgi；
• FastCGI 子進(jìn)程完成處理后將標(biāo)準(zhǔn)輸出和錯(cuò)誤信息從同一連接返回 Web Server。當(dāng) FastCGI 子進(jìn)程關(guān)閉連接時(shí)，請(qǐng)求便處理完成了。FastCGI 子進(jìn)程接著等待并處理來自 FastCGI 進(jìn)程管理器（運(yùn)行在 Web Server 中）的下一個(gè)連接。 在 CGI 模式中，php-cgi 在此便退出了。

APACHE2HANDLER

PHP 作為 Apache 的模塊，Apache 服務(wù)器在系統(tǒng)啟動(dòng)后，預(yù)先生成多個(gè)進(jìn)程副本駐留在內(nèi)存中，一旦有請(qǐng)求出現(xiàn)，就立即使用這些空余的子進(jìn)程進(jìn)行處理，這樣就不存在生成子進(jìn)程造成的延遲了。這些服務(wù)器副本在處理完一次 HTTP 請(qǐng)求之后并不立即退出，而是停留在計(jì)算機(jī)中等待下次請(qǐng)求。對(duì)于客戶瀏覽器的請(qǐng)求反應(yīng)更快，性能較高。

apache 模塊的 DLL

該運(yùn)行模式是我們以前在 windows 環(huán)境下使用 apache 服務(wù)器經(jīng)常使用的，而在模塊化（DLL）中，PHP 是與 Web 服務(wù)器一起啟動(dòng)并運(yùn)行的。（是 apache 在 CGI 的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一種擴(kuò)展，可以加快 PHP 的運(yùn)行效率）

ISAPI

ISAPI 即 Internet Server Application Program Interface，是微軟提供的一套面向 Internet 服務(wù)的 API 接口。一個(gè) ISAPI 的 DLL，可以在被用戶請(qǐng)求激活后長(zhǎng)駐內(nèi)存，等待用戶的另一個(gè)請(qǐng)求，還可以在一個(gè) DLL 里設(shè)置多個(gè)用戶請(qǐng)求處理函數(shù)，此外 ISAPI 的 DLL 應(yīng)用程序和 WWW 服務(wù)器處于同一個(gè)進(jìn)程中，效率要顯著高于 CGI。

CLI

CLI（全稱：command-line interface）命令行界面，是在圖形用戶界面得到普及之前使用最為廣泛的用戶界面，它通常不支持鼠標(biāo)，用戶通過鍵盤輸入指令，計(jì)算機(jī)接收到指令后，予以執(zhí)行。也有人稱之為字符用戶界面（CUI）。

PHP 的執(zhí)行流程和 opcode

我們?cè)賮砜纯?PHP 代碼執(zhí)行所經(jīng)過的流程。

 

一段PHP代碼會(huì)經(jīng)過詞法解析、語法解析等階段，會(huì)被翻譯成一個(gè)個(gè)指令（opcode），然后 zend 虛擬機(jī)會(huì)順序執(zhí)行這些指令。PHP 本身是用C語言實(shí)現(xiàn)的，因此最終調(diào)用的也是C語言的函數(shù)，實(shí)際上我們可以把 PHP 看做一個(gè)C語言開發(fā)的軟件。

PHP 執(zhí)行的核心就是翻譯出來的一條一條指令，也就是 opcode，opcode 是 PHP 程序執(zhí)行的最基本單位。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中，操作碼（Operation Code）被用于描述機(jī)器語言指令中，指定要執(zhí)行某種操作的那部分機(jī)器碼，構(gòu)成 opcode 的指令格式和規(guī)范由處理器的指令規(guī)范指定。

一個(gè) opcode 由兩個(gè)參數(shù)（op1，op2）、返回值和處理函數(shù)組成。PHP 程序最終被翻譯為一組 opcode 處理函數(shù)的順序執(zhí)行。

下面列舉了幾個(gè)常見的處理函數(shù)：

• ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 變量分配 （$a=$b）；
• ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER：函數(shù)調(diào)用；
• ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER：字符串拼接 $a.$b；
• ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法運(yùn)算 $a+2；
• ZEND_IS_EQUAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 $a==1；
• ZEND_IS_IDENTICAL_SPEC_CV_CONST：判斷相等 $a===1。

HashTable

HashTable是Zend的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在PHP里面幾乎并用來實(shí)現(xiàn)所有常見功能，我們知道的PHP數(shù)組即是其典型應(yīng)用，此外在zend內(nèi)部，如函數(shù)符號(hào)表、全局變量等也都是基于HashTable。

 

HashTable具有如下特點(diǎn)：

• 支持典型的key->value查詢；
• 可以當(dāng)做數(shù)組使用；
• 添加、刪除節(jié)點(diǎn)是O（1）復(fù)雜度；
• key支持混合類型，同時(shí)存在關(guān)聯(lián)數(shù)組合索引數(shù)組；
• Value支持混合類型：array("string",2332)；
• 支持線性遍歷，如 foreach。

Zval

由于PHP 是一門弱類型語言，本身不嚴(yán)格區(qū)分變量的類型。PHP 在聲明變量的時(shí)候不需要指定類型。PHP 在程序運(yùn)行期間可能進(jìn)行變量類型的隱式轉(zhuǎn)換。和其他強(qiáng)類型語言一樣，程序中也可以進(jìn)行顯式的類型轉(zhuǎn)換。Zval 是 Zend 中另一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來標(biāo)識(shí)并實(shí)現(xiàn) PHP 變量。

Zval 主要由以下 3 部分組成。

• Type：指定了變量所述的類型（整數(shù)、字符串、數(shù)組等）；
• refcount&is_ref：用來實(shí)現(xiàn)引用計(jì)數(shù)；
• value：是核心部分，存儲(chǔ)了變量的實(shí)際數(shù)據(jù)。

Zval 用來保存一個(gè)變量的實(shí)際數(shù)據(jù)。因?yàn)橐鎯?chǔ)多種類型，所以 zval 是一個(gè) union，也由此實(shí)現(xiàn)了弱類型。

引用計(jì)數(shù)在內(nèi)存回收、字符串操作等地方使用得非常廣泛。PHP 中的變量就是引用計(jì)數(shù)的典型應(yīng)用。Zval 的引用計(jì)數(shù)通過成員變量 is_ref 和 ref_count 實(shí)現(xiàn)。通過引用計(jì)數(shù)，多個(gè)變量可以共享同一份數(shù)據(jù)，避免頻繁復(fù)制帶來的大量消耗。

在進(jìn)行賦值操作時(shí)，Zend 將變量指向相同的 Zval，同時(shí) ref_count++，在 unset 操作時(shí)，對(duì)應(yīng)的 ref_count-1。只有 ref_count 為 0 時(shí)才會(huì)真正執(zhí)行銷毀操作。如果是引用賦值，Zend 就會(huì)修改 is_ref 為 1。

PHP 變量通過引用計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)變量共享數(shù)據(jù)，當(dāng)試圖寫入一個(gè)變量時(shí)，Zend 若發(fā)現(xiàn)該變量指向的 Zval 被多個(gè)變量共享，則為其復(fù)制一份 ref_count 為 1 的 Zval，并遞減原 Zval 的 refcount，這個(gè)過程稱為“Zval分離”。可見，只有在有寫操作發(fā)生時(shí)，Zend 才進(jìn)行復(fù)制操作，因此也叫 copy-on-write（寫時(shí)復(fù)制）。

對(duì)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(gè)變量就修改了所有捆綁變量。