作為一門動态語言，php是如何實作的，其底層機制如何，具有什麼樣的特點，本文深入淺出介紹了包括php設計理念、整體結構、核心資料結構和變量在内的相關底層知識，對我們更好的開發php程式，優化性能等有一定的指導意義。
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Php 底層機制 性能優化
目錄
1、概述… 1
what is php?. 1
了解它底層實作的目的?. 1
2、php的設計理念及特點… 1
3、Php的四層體系… 2
4、Sapi 3
5、Php的執行流程&opcode. 5
6、HashTable — 核心資料結構… 6
7、Php變量… 8
概述… 8
Zval 9
整數、浮點數類型變量… 10
字元串變量… 10
數組變量… 11
資源類型變量… 11
Php變量的作用域… 12
一種适用于web開發的動态語言。具體點說：就是一個用c語言實作包含大量元件的軟體架構。更狹義點看，可以把它認為是一個強大的ui架構。
動态語言要像用好首先得了解它
記憶體管理、架構模型值得我們借鑒
通過擴充開發實作更多更強大的功能，優化我們程式的性能
多程序模型
由于php是多程序模型，不同請求間互不幹涉，這樣保證了一個請求挂掉不會對全盤服務造成影響，當然，随着時代發展，php也早已支援多線程模型。
弱類型語言
和c/c++、java、c#等語言不同，Php是一門弱類型語言：一個變量的類型并不是一開始就确定不變，運作中才會确定并可能發生隐式或顯式的類型轉換，這種機制的靈活性在web開發中非常友善、高效，具體會在後面php變量中詳述。
引擎(Zend)+元件(ext)的模式降低内部耦合
中間層(sapi)隔絕web server和php
文法簡單靈活，沒有太多規範。（導緻風格混雜）
再差的程式員也不會寫出太離譜危害全局的程式。
Php的核心架構如下圖
<a target="_blank" href="http://blog.51cto.com/attachment/201112/193542556.jpg"></a>
圖1 php結構
從圖上可以看出，php從下到上是一個4層體系
Zend引擎
Zend整體用純c實作，是php的核心部分，它将php代碼翻譯（詞法、文法解析等一系列編譯過程）為可執行opcode的處理并實作相應的處理方法、實作了基本的資料結構（如hashtable、oo）、記憶體配置設定及管理、提供了相應的api方法供外部調用，是一切的核心，所有的外圍功能均圍繞zend實作。
Extensions
圍繞着zend引擎，extensions通過元件式的方式提供各種基礎服務，我們常見的各種内置函數（如array系列）、标準庫等都是通過extension來實作，使用者也可以根據需要實作自己的extension以達到功能擴充、性能優化等目的（如貼吧正在使用的php中間層、富文本解析就是extension的典型應用）。
Sapi
Sapi全稱是Server Application Programming Interface，也就是服務端應用程式設計接口，sapi通過一系列鈎子函數，使得php可以和外圍互動資料，這是php非常優雅和成功的一個設計，通過sapi成功的将php本身和上層應用解耦隔離，php可以不再考慮如何針對不同應用進行相容，而應用本身也可以針對自己的特點實作不同的處理方式。後面将在sapi章節中介紹
上層應用
這就是我們平時編寫的php程式，通過不同的sapi方式得到各種各樣的應用模式，如通過webserver實作web應用、在指令行下以腳本方式運作等等。
如果php是一輛車，那麼
車的架構就是php本身
Zend是車的引擎（發動機）
Ext下面的各種元件就是車的輪子
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程式的執行就是汽車跑在公路上。
是以，我們需要：性能優異的引擎+合适的車輪+正确的跑道
如前所述，sapi通過通過一系列的接口，使得外部應用可以和php交換資料并可以根據不同應用特點實作特定的處理方法，我們常見的一些sapi有：
apache2handler
這是以apache作為webserver，采用mod_php模式運作時候的處理方式，也是現在應用最廣泛的一種。
cgi
這是webserver和php直接的另一種互動方式，也就是大名鼎鼎的fastcgi協定，在最近今年fastcgi+php得到越來越多的應用，也是異步webserver所唯一支援的方式。關于fastcgi和mod_php，可以參見另外一篇文章《php性能調研-mod_php vs fastcgi》
cli
指令行調用的應用模式
Sapi的定義及主要接口函數如下圖
<a target="_blank" href="http://blog.51cto.com/attachment/201112/193600806.jpg"></a>
圖2 Sapi協定
這裡介紹一下其中一些主要函數
startup：php被調用時初始化操作
比如cgi模式，在startup的時候會加載所有的extension并執行子產品初始化工作。
shutdown：php關閉時收尾工作
activate：請求初始化
dectivate：請求結束時收尾工作
ub_write：指定資料輸出方式
比如apache2handler方式，由于php作為apache的一個so存在，是以其輸出也就是調用apache的ap_write函數，而在cgi模式下，會系統調用write。
sapi_error：錯誤處理函數
read_post：讀取post資料
register_server_variables：往$_SERVER中注冊環境變量
這個一般根據不同協定标準注冊注冊的變量。
我們先來看看php代碼的執行所經過的流程。
<a target="_blank" href="http://blog.51cto.com/attachment/201112/193614337.jpg"></a>
圖3 php代碼的執行過程
從圖上可以看到，php實作了一個典型的動态語言執行過程：拿到一段代碼後，經過詞法解析、文法解析等階段後，源程式會被翻譯成一個個指令(opcodes)，然後ZEND虛拟機順次執行這些指令完成操作。Php本身是用c實作的，是以最終調用的也都是c的函數，實際上，我們可以把php看做是一個c開發的軟體。
通過上面描述不難看出，php的執行的核心是翻譯出來的一條一條指令，也即opcode
u opcode
Opcode是php程式執行的最基本機關。一個opcode由兩個參數(op1,op2)、傳回值和處理函數組成。Php程式最終被翻譯為一組opcode處理函數的順序執行
常見的幾個處理函數
ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CV_HANDLER : 變量配置設定 （$a=$b）
ZEND_DO_FCALL_BY_NAME_SPEC_HANDLER：函數調用
ZEND_CONCAT_SPEC_CV_CV_HANDLER：字元串拼接 $a.$b
ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER: 加法運算 $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是zend的核心資料結構，在php裡面幾乎并用來實作所有常見功能，我們知道的php數組即是其典型應用，此外，在zend内部，如函數符号表、全局變量等也都是基于hash table來實作。
php的hash table具有如下特點：
支援典型的key->value查詢
可以當做數組使用
添加、删除節點是O（1）複雜度
key支援混合類型：同時存在關聯數組合索引數組
Value支援混合類型：array (“string”,2332)
支援線性周遊：如foreach
Zend hash table實作了典型的hash表散列結構，同時通過附加一個雙向連結清單，提供了正向、反向周遊數組的功能。其結構如下圖
<a target="_blank" href="http://blog.51cto.com/attachment/201112/193635931.jpg"></a>
圖4 zend hash table資料結構
可以看到，在hash table中既有key->value形式的散列結構，也有雙向連結清單模式，使得它能夠非常友善的支援快速查找和線性周遊。
散列結構
Zend的散列結構是典型的hash表模型，通過連結清單的方式來解決沖突。需要注意的是zend的hash table是一個自增長的資料結構，當hash表數目滿了之後，其本身會動态以2倍的方式擴容并重新元素位置。初始大小均為8。
另外，在進行key->value快速查找時候，zend本身還做了一些優化，通過空間換時間的方式加快速度。比如在每個元素中都會用一個變量nKeyLength辨別key的長度以作快速判定。
雙向連結清單
Zend hash table通過一個連結清單結構，實作了元素的線性周遊。理論上，做周遊使用單向連結清單就夠了，之是以使用雙向連結清單，主要目的是為了快速删除，避免周遊。
Zend hash table是一種複合型的結構，作為數組使用時，即支援常見的關聯數組也能夠作為順序索引數字來使用，甚至允許2者的混合。
Php關聯數組
關聯數組是典型的hash_table應用。一次查詢過程經過如下幾步
getKeyHashValue h;
index = n & nTableMask;
Bucket *p = arBucket[index];
while (p) {
if ((p->h == h) && (p->nKeyLength == nKeyLength)) {
RETURN p->data;
}
p=p->next;
}
RETURN FALTURE;
從代碼可以看出，這是一個常見的hash查詢過程并增加一些快速判定加速查找。
Php索引數組
索引數組就是我們常見的數組，通過下标通路。例如 $arr[0]
Zend HashTable内部進行了歸一化處理，對于index類型key同樣配置設定了hash值和nKeyLength(為0)。内部成員變量nNextFreeElement就是目前配置設定到的最大id，每次push後自動加一。
正是這種歸一化處理，php才能夠實作關聯和非關聯的混合
由于push操作的特殊性，索引key在php數組中先後順序并不是通過下标大小來決定，而是由push的先後決定。
例如 $arr[1] = 2; $arr[2] = 3;
對于double類型的key，Zend HashTable會将他當做索引key處理
Php是一門弱類型語言，本身不嚴格區分變量的類型。
Php在變量申明的時候不需要指定類型。
Php在程式運作期間可能進行變量類型的隐示轉換。
和其他強類型語言一樣，程式中也可以進行顯示的類型轉換。
Php變量可以分為簡單類型(int、string、bool)、集合類型(array resource object)和常量(const)
以上所有的變量在底層都是同一種結構 zval
Zval是zend中另一個非常重要的資料結構，用來辨別并實作php變量，其資料結構如下
<a target="_blank" href="http://blog.51cto.com/attachment/201112/193655550.jpg"></a>
Zval主要由三部分組成：
1、 type：指定了變量所述的類型（整數、字元串、數組等）
2、 refcount&is_ref：用來實作引用計數(後面具體介紹)
3、 value：核心部分，存儲了變量的實際資料
u zvalue
Zvalue是用來儲存一個變量的實際資料。因為要存儲多種類型，是以zvalue是一個union，也由此實作了弱類型。
Php變量類型和其實際存儲對應關系如下
IS_LONG -> lvalue
IS_DOUBLE -> dvalue
IS_ARRAY -> ht
IS_STRING -> str
IS_RESOURCE -> lvalue
u 引用計數
引用計數在記憶體回收、字元串操作等地方使用非常廣泛。Php中的變量就是引用計數的典型應用
Zval的引用計數通過成員變量is_ref和ref_count實作，通過引用計數，多個變量可以共享同一份資料。避免頻繁拷貝帶來的大量消耗
在進行指派操作時，zend将變量指向相同的zval同時ref_count++，在unset操作時，對應的ref_count-1。隻有ref_count減為0時才會真正執行銷毀操作
如果是引用指派，則zend會修改is_ref為1
u 寫時拷貝
Php變量通過引用計數實作變量共享資料，那如果改變其中一個變量值呢？
當試圖寫入一個變量時，Zend若發現該變量指向的zval被多個變量共享，則為其複制一份ref_count為1的zval，并遞減原zval的refcount，這個過程稱為“zval分離”。可見，隻有在有寫操作發生時zend才進行拷貝操作，是以也叫copy-on-write(寫時拷貝)
對于引用型變量，其要求和非引用型相反，引用指派的變量間必須是捆綁的，修改一個變量就修改了所有捆綁變量。
整數、浮點數是php中的基礎類型之一，也是一個簡單型變量。
對于整數和浮點數，在zvalue中直接存儲對應的值。其類型分别是long和double。
從zvalue結構中可以看出，對于整數類型，和c等強類型語言不同，php是不區分int、unsigned int、long、long long等類型的，對它來說，整數隻有一種類型也就是long。由此，可以看出，在php裡面，整數的取值範圍是由編譯器位數來決定而不是固定不變的。
對于浮點數，類似整數，它也不區分float和double而是統一隻有double一種類型。
在php中，如果整數範圍越界了怎麼辦？
這種情況下會自動轉換為double類型，這個一定要小心，很多trick都是由此産生。
和整數一樣，字元變量也是php中的基礎類型和簡單型變量
通過zvalue結構可以看出，在php中，字元串是由由指向實際資料的指針和長度結構體組成，這點和c++中的string比較類似。
由于通過一個實際變量表示長度，和c不同，它的字元串可以是2進制資料（包含\0），同時在php中，求字元串長度strlen是O(1)操作。
在新增、修改、追加字元串操作時，php都會重新配置設定記憶體生成新的字元串。
最後，出于安全考慮，php在生成一個字元串時末尾仍然會添加\0
常見的字元串拼接方式及速度比較
假設有如下4個變量：
$strA=‘123’; $strB = ‘456’; $intA=123; intB=456;
現在對如下的幾種字元串拼接方式做一個比較和說明
1、$res = $strA.$strB和$res = “$strA$strB”
這種情況下，zend會重新malloc一塊記憶體并進行相應處理，其速度一般
2、$strA = $strA.$strB
這種是速度最快的，zend會在目前strA基礎上直接relloc，避免重複拷貝
3、$res = $intA.$intB
這種速度較慢，因為需要做隐式的格式轉換，實際編寫程式中也應該注意盡量避免
4、$strA = sprintf (“%s%s”,$strA.$strB);
這會是最慢的一種方式，因為sprintf在php中并不是一個語言結構，本身對于格式識别和處理就需要耗費比較多時間，另外本身機制也是malloc。不過sprintf的方式最具可讀性，實際中可以根據具體情況靈活選擇。
如前所述，Php的數組通過Zend HashTable來天然實作
foreach操作如何實作？
對一個數組的foreach就是通過周遊hashtable中的雙向連結清單完成。對于索引數組，通過foreach周遊效率比for高很多，省去了key->value的查找
Count操作直接調用HashTable->NumOfElements，O(1)操作
對于’123’這樣的字元串，zend會轉換為其整數形式。$arr[‘123’]和$arr[123]是等價的
這是php中最複雜的一種變量，也是一種複合型結構。
Php的zval可以表示廣泛的資料類型，但是對于自定義的資料類型卻很難充分描述。由于沒有有效的方式描繪這些複合結構，是以也沒有辦法對它們使用傳統的操作符。要解決這個問題，隻需要通過一個本質上任意的辨別符（label）引用指針，這種方式被稱為資源。
在zval中，對于resource，lval作為指針來使用，直接指向資源所在的位址。
Resource可以是任意的複合結構，我們熟悉的mysqli、fsock、memcached等都是資源。
使用資源
• 注冊
對于一個自定義的資料類型，要想将它作為資源。首先需要進行注冊，zend會為它配置設定全局唯一标示
• 擷取一個資源變量
對于資源，zend維護了一個id->實際資料的hash_tale。對于一個resource，在zval中隻記錄了它的id。fetch的時候通過id在hash_table中找到具體的值傳回
• 資源銷毀
資源的資料類型是多種多樣的。Zend本身沒有辦法銷毀它。是以需要使用者在注冊資源的時候提供銷毀函數。當unset資源時，zend調用相應的函數完成析構。同時從全局資源表中删除它。
持久化資源
資源可以長期駐留，不隻是在所有引用它的變量超出作用域之後，甚至是在一個請求結束了并且新的請求産生之後。這些資源稱為持久資源，因為它們貫通SAPI的整個生命周期持續存在，除非特意銷毀。
很多情況下，持久化資源可以在一定程度上提高性能。比如我們常見的mysql_pconnect ,持久化資源通過pemalloc配置設定記憶體，這樣在請求結束的時候不會釋放。
對zend來說，對兩者本身并不區分。
Php中的局部變量和全局變量是如何實作的？
對于一個請求，任意時刻php都可以看到兩個符号表(symbol_table和active_symbol_table)，其中前者用來維護全局變量。後者是一個指針，指向目前活動的變量符号表，當程式進入到某個函數中時，zend就會為它配置設定一個符号表x同時将active_symbol_table指向a。通過這樣的方式實作全局、局部變量的區分
擷取變量值
php的符号表是通過hash_table實作的，對于每個變量都配置設定唯一辨別，擷取的時候根據辨別從表中找到相應zval傳回
函數中使用全局變量
在函數中，我們可以通過顯式申明global來使用全局變量。在active_symbol_table中建立symbol_table中同名變量的引用，如果symbol_table中沒有同名變量則會先建立。
本文轉自百度技術51CTO部落格，原文連結：http://blog.51cto.com/baidutech/743751，如需轉載請自行聯系原作者
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