PHP7源码：PHP虚拟机的详细解析
内容导读
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内容图文
本篇文章给大家带来的内容是关于PHP7源码：PHP虚拟机的详细解析，有一定的参考价值，有需要的朋友可以参考一下，希望对你有所帮助。1.从物理机说起
虚拟机也是计算机，设计思想和物理机有很多相似之处；
1.1冯诺依曼体系结构
冯·诺依曼是当之无愧的数字计算机之父，当前计算机都采用的是冯诺依曼体系结构；设计思想主要包含以下几个方面：
指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中，它们都是内存中的数据。现代CPU的保护模式，每个内存段都有段描述符，这个描述符记录着这个内存段的访问权限(可读,可写,可执行)。这就变相的指定了哪些内存中存储的是指令哪些是数据）；
存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的；
数据以二进制表示；
指令由操作码和操作数组成。操作码指明本指令的操作类型,操作数指明操作数本身或者操作数的地址。操作数本身并无数据类型，它的数据类型由操作码确定；任何架构的计算机都会对外提供指令集合；
运算器通过执行指令直接发出控制信号控制计算机各项操作。由指令计数器指明待执行指令所在的内存地址。指令计数器只有一个，一般按顺序递增，但执行顺序可能因为运算结果或当时的外界条件而改变；
1.2汇编语言简介
任何架构的计算机都会提供一组指令集合；
指令由操作码和操作数组成；操作码即操作类型，操作数可以是一个立即数或者一个存储地址；每条指令可以有0、1或2个操作数；
指令就是一串二进制；汇编语言是二进制指令的文本形式；
push %ebxmov %eax, [%esp+8]mov %ebx, [%esp+12]add %eax, %ebxpop %ebx
push、mov、add、pop等就是操作码；
%ebx寄存器；[%esp+12]内存地址；
操作数只是一块可存取数据的存储区；操作数本身并无数据类型，它的数据类型由操作码确定；
如movb传送字节，movw传送字，movl传送双字等
1.3 函数调用栈
过程（函数）是对代码的封装，对外暴露的只是一组指定的参数和一个可选的返回值；可以在程序中不同的地方调用这个函数；假设过程P调用过程Q，Q执行后返回过程P；为了实现这一功能，需要考虑三点：
指令跳转：进入过程Q的时候，程序计数器必须被设置为Q的代码的起始地址；在返回时，程序计数器需要设置为P中调用Q后面那条指令的地址；
数据传递：P能够向Q提供一个或多个参数，Q能够向P返回一个值；
内存分配与释放：Q开始执行时，可能需要为局部变量分配内存空间，而在返回前，又需要释放这些内存空间；
大多数的语言过程调用都采用了栈数据结构提供的内存管理机制；如下图所示：
函数的调用与返回即对应的是一系列的入栈与出栈操作；
函数在执行时，会有自己私有的栈帧，局部变量就是分配在函数私有栈帧上的；
平时遇到的栈溢出就是因为调用函数层级过深，不断入栈导致的；
2.PHP虚拟机
虚拟机也是计算机，参考物理机的设计，设计虚拟机时，首先应该考虑三个要素：指令，数据存储，函数栈帧；
下面从这三点详细分析PHP虚拟机的设计思路；
2.1指
2.1.1 指令类型
任何架构的计算机都需要对外提供一组指令集，其代表计算机支持的一组操作类型；
PHP虚拟机对外提供186种指令，定义在zend_vm_opcodes.h文件中；
//加、减、乘、除等#define ZEND_ADD 1#define ZEND_SUB 2#define ZEND_MUL 3#define ZEND_p 4#define ZEND_MOD 5#define ZEND_SL 6#define ZEND_SR 7#define ZEND_CONCAT 8#define ZEND_BW_OR 9#define ZEND_BW_AND 10……………………
2.1.2 指令
2.1.2.1指令的表示
指令由操作码和操作数组成；操作码指明本指令的操作类型，操作数指明操作数本身或者操作数的地址；
PHP虚拟机定义指令格式为：操作码 操作数1 操作数2 返回值；其使用结构体_zend_op表示一条指令：
struct _zend_op { const void *handler; //指针，指向当前指令的执行函数 znode_op op1; //操作数1 znode_op op2; //操作数2 znode_op result; //返回值 uint32_t extended_value;//扩展 uint32_t lineno; //行号 zend_uchar opcode; //指令类型 zend_uchar op1_type; //操作数1的类型（此类型并不代表字符串、数组等数据类型；其表示此操作数是常量，临时变量，编译变量等） zend_uchar op2_type; //操作数2的类型 zend_uchar result_type; //返回值的类型};2.1.2.2 操作数的表示
从上面可以看到，操作数使用结构体znode_op表示，定义如下：
constant、var、num等都是uint32_t类型的，这怎么表示一个操作数呢？（既不是指针不能代表地址，也无法表示所有数据类型）；
其实，操作数大多情况采用的相对地址表示方式，constant等表示的是相对于执行栈帧首地址的偏移量；
另外，_znode_op结构体中有个zval *zv字段，其也可以表示一个操作数，这个字段是一个指针，指向的是zval结构体，PHP虚拟机支持的所有数据类型都使用zval结构体表示；
typedef union _znode_op { uint32_t constant; uint32_t var; uint32_t num; uint32_t opline_num; #if ZEND_USE_ABS_JMP_ADDR zend_op *jmp_addr; #else uint32_t jmp_offset; #endif #if ZEND_USE_ABS_CONST_ADDR zval *zv; #endif} znode_op;2.2 数据存储
PHP虚拟机支持多种数据类型：整型、浮点型、字符串、数组，对象等；PHP虚拟机如何存储和表示多种数据类型？
2.1.2.2节指出结构体_znode_op代表一个操作数；操作数可以是一个偏移量（计算得到一个地址，即zval结构体的首地址），或者一个zval指针；PHP虚拟机使用zval结构体表示和存储多种数据；
struct _zval_struct { zend_value value; //存储实际的value值 union { struct { //一些标志位 ZEND_ENDIAN_LOHI_4( zend_uchar type, //重要；表示变量类型 zend_uchar type_flags, zend_uchar const_flags, zend_uchar reserved) /* call info for EX(This) */ } v; uint32_t type_info; } u1; union { //其他有用信息 uint32_t next; /* hash collision chain */ uint32_t cache_slot; /* literal cache slot */ uint32_t lineno; /* line number (for ast nodes) */ uint32_t num_args; /* arguments number for EX(This) */ uint32_t fe_pos; /* foreach position */ uint32_t fe_iter_idx; /* foreach iterator index */ uint32_t access_flags; /* class constant access flags */ uint32_t property_guard; /* single property guard */ } u2;};zval.u1.type表示数据类型， zend_types.h文件定义了以下类型：
#define IS_UNDEF 0#define IS_NULL 1#define IS_FALSE 2#define IS_TRUE 3#define IS_LONG 4#define IS_DOUBLE 5#define IS_STRING 6#define IS_ARRAY 7#define IS_OBJECT 8#define IS_RESOURCE 9#define IS_REFERENCE 10…………
zend_value存储具体的数据内容，结构体定义如下：
_zend_value占16字节内存；long、double类型会直接存储在结构体；引用、字符串、数组等类型使用指针存储；
代码中根据zval.u1.type字段，判断数据类型，以此决定操作_zend_value结构体哪个字段；
可以看出，字符串使用zend_string表示，数组使用zend_array表示…
typedef union _zend_value { zend_long lval; double dval; zend_refcounted *counted; zend_string *str; zend_array *arr; zend_object *obj; zend_resource *res; zend_reference *ref; zend_ast_ref *ast; zval *zv; void *ptr; zend_class_entry *ce; zend_function *func; struct { uint32_t w1; uint32_t w2; } ww;} zend_value;如下图为PHP7中字符串结构图：
2.3 再谈指令
2.1.2.1指出，指令使用结构体_zend_op表示；其中最主要2个属性：操作函数，操作数（两个操作数和一个返回值）；
操作数的类型（常量、临时变量等）不同，同一个指令对应的handler函数也会不同；操作数类型定义在 Zend/zend_compile.h文件：
//常量#define IS_CONST (1<<0) //临时变量，用于操作的中间结果；不能被其他指令对应的handler重复使用#define IS_TMP_VAR (1<<1) //这个变量并不是PHP代码中声明的变量，常见的是返回的临时变量，比如$a=time()， 函数time返回值的类型就是IS_VAR，这种类型的变量是可以被其他指令对应的handler重复使用的#define IS_VAR (1<<2)#define IS_UNUSED (1<<3) /* Unused variable */ //编译变量；即PHP中声明的变量；#define IS_CV (1<<4) /* Compiled variable */
操作函数命名规则为：ZEND_[opcode]_SPEC_(操作数1类型)_(操作数2类型)_(返回值类型)_HANDLER
比如赋值语句就有以下多种操作函数：
ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_CONST_RETVAL_UNUSED_HANDLER,ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_TMP_RETVAL_UNUSED_HANDLER,ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_VAR_RETVAL_UNUSED_HANDLER,ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_CV_RETVAL_UNUSED_HANDLER,…
对于$a=1，其操作函数为： ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_RETVAL_UNUSED_HANDLER；函数实现为：
static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_RETVAL_UNUSED_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS){ USE_OPLINE zval *value; zval *variable_ptr; SAVE_OPLINE(); //获取op2对应的值，也就是1 value = EX_CONSTANT(opline->op2); //在execute_data中获取op1的位置，也就是$a（execute_data类似函数栈帧，后面详细分析） variable_ptr = _get_zval_ptr_cv_undef_BP_VAR_W(execute_data, opline->op1.var); //赋值 value = zend_assign_to_variable(variable_ptr, value, IS_CONST); if (UNEXPECTED(0)) { ZVAL_COPY(EX_VAR(opline->result.var), value); } ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();}2.4 函数栈帧
2.4.1指令集
上面分析了指令的结构与表示，PHP虚拟机使用_zend_op_array表示指令的集合：
struct _zend_op_array { ………… //last表示指令总数；opcodes为存储指令的数组； uint32_t last; zend_op *opcodes; //变量类型为IS_CV的个数 int last_var; //变量类型为IS_VAR和IS_TEMP_VAR的个数 uint32_t T; //存放IS_CV类型变量的数组 zend_string **vars; ………… //静态变量 HashTable *static_variables; //常量个数；常量数组 int last_literal; zval *literals; …};注意： last_var代表IS_CV类型变量的个数，这种类型变量存放在vars数组中；在整个编译过程中，每次遇到一个IS_CV类型的变量（类似于$something），就会去遍历vars数组，检查是否已经存在，如果不存在，则插入到vars中，并将last_var的值设置为该变量的操作数；如果存在，则使用之前分配的操作数
2.4.2 函数栈帧
PHP虚拟机实现了与1.3节物理机类似的函数栈帧结构；
使用 _zend_vm_stack表示栈结构；多个栈之间使用prev字段形成单向链表；top和end指向栈低和栈顶，分别为zval类型的指针；
struct _zend_vm_stack { zval *top; zval *end; zend_vm_stack prev;};考虑如何设计函数执行时候的帧结构：当前函数执行时，需要存储函数编译后的指令，需要存储函数内部的局部变量等（2.1.2.2节指出，操作数使用结构体znode_op表示，其内部使用uint32_t表示操作数，此时表示的就是当前zval变量相对于当前函数栈帧首地址的偏移量）；
PHP虚拟机使用结构体_zend_execute_data存储当前函数执行所需数据；
struct _zend_execute_data { //当前指令指令 const zend_op *opline; //当前函数执行栈帧 zend_execute_data *call; //函数返回数据 zval *return_value; zend_function *func; zval This; /* this + call_info + num_args */ //调用当前函数的栈帧 zend_execute_data *prev_execute_data; //符号表 zend_array *symbol_table;#if ZEND_EX_USE_RUN_TIME_CACHE void **run_time_cache; #endif#if ZEND_EX_USE_LITERALS //常量数组 zval *literals; #endif};函数开始执行时，需要为函数分配相应的函数栈帧并入栈，代码如下：
static zend_always_inline zend_execute_data *zend_vm_stack_push_call_frame(uint32_t call_info, zend_function *func, uint32_t num_args, zend_class_entry *called_scope, zend_object *object){ //计算当前函数栈帧需要内存空间大小 uint32_t used_stack = zend_vm_calc_used_stack(num_args, func); //根据栈帧大小分配空间，入栈 return zend_vm_stack_push_call_frame_ex(used_stack, call_info, func, num_args, called_scope, object);} //计算函数栈帧大小static zend_always_inline uint32_t zend_vm_calc_used_stack(uint32_t num_args, zend_function *func){ //_zend_execute_data大小（80字节/16字节=5）+参数数目 uint32_t used_stack = ZEND_CALL_FRAME_SLOT + num_args; if (EXPECTED(ZEND_USER_CODE(func->type))) { //当前函数临时变量等数目 used_stack += func->op_array.last_var + func->op_array.T - MIN(func->op_array.num_args, num_args); } //乘以16字节 return used_stack * sizeof(zval);} //入栈static zend_always_inline zend_execute_data *zend_vm_stack_push_call_frame_ex(uint32_t used_stack, uint32_t call_info, zend_function *func, uint32_t num_args, zend_class_entry *called_scope, zend_object *object){ //上一个函数栈帧地址 zend_execute_data *call = (zend_execute_data*)EG(vm_stack_top); //移动函数调用栈top指针 EG(vm_stack_top) = (zval*)((char*)call + used_stack); //初始化当前函数栈帧 zend_vm_init_call_frame(call, call_info, func, num_args, called_scope, object); //返回当前函数栈帧首地址 return call;}从上面分析可以得到函数栈帧结构图如下所示：
总结
PHP虚拟机也是计算机，有三点是我们需要重点关注的：指令集（包含指令处理函数）、数据存储（zval）、函数栈帧；
此时虚拟机已可以接受指令并执行指令代码；
但是，PHP虚拟机是专用执行PHP代码的，PHP代码如何能转换为PHP虚拟机可以识别的指令呢——编译；
PHP虚拟机同时提供了编译器，可以将PHP代码转换为其可以识别的指令集合；
理论上你可以自定义任何语言，只要实现编译器，能够将你自己的语言转换为PHP可以识别的指令代码，就能被PHP虚拟机执行；
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内容总结
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