php中autoload機制詳解

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背景

PHP在魔術函數__autoload()方法出現以前，如果你要在一個程式檔案中執行個體化100個對象，那麼你必須用include或者require包含進來100個類檔案，或者你把這100個類定義在同一個類檔案中——相信這個檔案一定會非常大。但是__autoload()方法出來了，以後就不必為此大傷腦筋了，這個類會在你執行個體化對象之前自動加載指定的檔案。

autoload 機制概述

在使用PHP的OO模式開發系統時，通常大家習慣上将每個類的實作都存放在一個單獨的檔案裡，這樣會很容易實作對類進行複用，同時将來維護時也很便利。這也是OO設計的基本思想之一。在PHP5之前，如果需要使用一個類，隻需要直接使用include/require将其包含進來即可。下面是一個實際的例子：

/* Person.class.php */

<?php

 class Person {

  var $name, $age;

  function __construct ($name, $age)

  {

   $this->name = $name;

   $this->age = $age;

  }

 }

?>

/* no_autoload.php */

<?php

 require_once (”Person.class.php”);

 $person = new Person(”Altair”, 6);

 var_dump ($person);

?>

在這個例子中，no-autoload.php檔案需要使用Person類，它使用了require_once将其包含，然後就可以直接使用Person類來執行個體化一個對象。

但随着項目規模的不斷擴大，使用這種方式會帶來一些隐含的問題：如果一個PHP檔案需要使用很多其它類，那麼就需要很多的require/include語句，這樣有可能會造成遺漏或者包含進不必要的類檔案。如果大量的檔案都需要使用其它的類，那麼要保證每個檔案都包含正确的類檔案肯定是一個噩夢。

PHP5為這個問題提供了一個解決方案，這就是類的自動裝載(autoload)機制。autoload機制可以使得PHP程式有可能在使用類時才自動包含類檔案，而不是一開始就将所有的類檔案include進來，這種機制也稱為lazy loading。

下面是使用autoload機制加載Person類的例子：

/* autoload.php */

<?php

 function __autoload($classname)

{

  $classpath="./".$classname.'.class.php';

  if(file_exists($classpath))

  {

    require_once($classpath);

  }

  else

  {

    echo 'class file'.$classpath.'not found!';

   }

}

 $person = new Person(”Altair”, 6);

 var_dump ($person);

 ?>

通常PHP5在使用一個類時，如果發現這個類沒有加載，就會自動運作__autoload()函數，在這個函數中我們可以加載需要使用的類。在我們這個簡單的例子中，我們直接将類名加上擴充名”.class.php”構成了類檔案名，然後使用require_once将其加載。從這個例子中，我們可以看出autoload至少要做三件事情，第一件事是根據類名确定類檔案名，第二件事是确定類檔案所在的磁盤路徑(在我們的例子是最簡單的情況，類與調用它們的PHP程式檔案在同一個檔案夾下)，第三件事是将類從磁盤檔案中加載到系統中。第三步最簡單，隻需要使用include/require即可。要實作第一步，第二步的功能，必須在開發時約定類名與磁盤檔案的映射方法，隻有這樣我們才能根據類名找到它對應的磁盤檔案。

是以，當有大量的類檔案要包含的時候，我們隻要确定相應的規則，然後在__autoload()函數中，将類名與實際的磁盤檔案對應起來，就可以實作lazy loading的效果。從這裡我們也可以看出__autoload()函數的實作中最重要的是類名與實際的磁盤檔案映射規則的實作。

但現在問題來了，如果在一個系統的實作中，如果需要使用很多其它的類庫，這些類庫可能是由不同的開發人員編寫的，其類名與實際的磁盤檔案的映射規則不盡相同。這時如果要實作類庫檔案的自動加載，就必須在__autoload()函數中将所有的映射規則全部實作，這樣的話__autoload()函數有可能會非常複雜，甚至無法實作。最後可能會導緻__autoload()函數十分臃腫，這時即便能夠實作，也會給将來的維護和系統效率帶來很大的負面影響。在這種情況下，難道就沒有更簡單清晰的解決辦法了吧？答案當然是：NO! 在看進一步的解決方法之前，我們先來看一下PHP中的autoload機制是如何實作的。

PHP 的 autoload 機制的實作

我們知道，PHP檔案的執行分為兩個獨立的過程，第一步是将PHP檔案編譯成普通稱之為OPCODE的位元組碼序列（實際上是編譯成一個叫做zend_op_array的位元組數組），第二步是由一個虛拟機來執行這些OPCODE。PHP的所有行為都是由這些OPCODE來實作的。是以，為了研究PHP中autoload的實作機制，我們将autoload.php檔案編譯成opcode，然後根據這些OPCODE來研究PHP在這過程中都做了些什麼:

 /* autoload.php 編譯後的OPCODE清單，是使用作者開發的OPDUMP工具

     * 生成的結果，可以到網站 http://www.phpinternals.com/ 下載下傳該軟體。

     */

    1: <?php

    2:  // require_once (”Person.php”);

    3:  

    4:  function __autoload ($classname) {

            0  NOP                

            0  RECV                1

    5:   if (!class_exists($classname)) {

            1  SEND_VAR            !0

            2  DO_FCALL            ‘class_exists’ [extval:1]

            3  BOOL_NOT            $0 =>RES[~1]     

            4  JMPZ                ~1, ->8

    6:    require_once ($classname. “.class.php”);

            5  CONCAT              !0, ‘.class.php’ =>RES[~2]     

            6  INCLUDE_OR_EVAL     ~2, REQUIRE_ONCE

    7:   }

            7  JMP                 ->8

    8:  }

            8  RETURN              null

    9:  

   10:  $p = new Person(’Fred’, 35);

            1  FETCH_CLASS         ‘Person’ =>RES[:0]     

            2  NEW                 :0 =>RES[$1]     

            3  SEND_VAL            ‘Fred’

            4  SEND_VAL            35

            5  DO_FCALL_BY_NAME     [extval:2]

            6  ASSIGN              !0, $1

   11:  

   12:  var_dump ($p);

            7  SEND_VAR            !0

            8  DO_FCALL            ‘var_dump’ [extval:1]

   13: ?>

在autoload.php的第10行代碼中我們需要為類Person執行個體化一個對象。是以autoload機制一定會在該行編譯後的opcode中有所展現。從上面的第10行代碼生成的OPCODE中我們知道，在執行個體化對象Person時，首先要執行FETCH_CLASS指令。我們就從PHP對FETCH_CLASS指令的處理過程開始我們的探索之旅。

通過查閱PHP的源代碼(我使用的是PHP 5.3alpha2版本)可以發現如下的調用序列：

ZEND_VM_HANDLER(109, ZEND_FETCH_CLASS, …) (zend_vm_def.h 1864行)

 => zend_fetch_class (zend_execute_API.c 1434行)

  =>zend_lookup_class_ex (zend_execute_API.c 964行)

   => zend_call_function(&fcall_info, &fcall_cache) (zend_execute_API.c 1040行)

在最後一步的調用之前，我們先看一下調用時的關鍵參數：

 /* 設定autoload_function變量值為”__autoload” */

 fcall_info.function_name = &autoload_function;  // Ooops, 終于發現”__autoload”了

 …

 fcall_cache.function_handler = EG(autoload_func); // autoload_func !

zend_call_function是Zend Engine中最重要的函數之一，其主要功能是執行使用者在PHP程式中自定義的函數或者PHP本身的庫函數。zend_call_function有兩個重要的指針形參數fcall_info, fcall_cache，它們分别指向兩個重要的結構，一個是zend_fcall_info, 另一個是zend_fcall_info_cache。zend_call_function主要工作流程如下：如果fcall_cache.function_handler指針為NULL，則嘗試查找函數名為fcall_info.function_name的函數，如果存在的話，則執行之；如果fcall_cache.function_handler不為NULL，則直接執行fcall_cache.function_handler指向的函數。

現在我們清楚了，PHP在執行個體化一個對象時（實際上在實作接口，使用類常數或類中的靜态變量，調用類中的靜态方法時都會如此），首先會在系統中查找該類（或接口）是否存在，如果不存在的話就嘗試使用autoload機制來加載該類。而autoload機制的主要執行過程為：

1. 檢查執行器全局變量函數指針autoload_func是否為NULL。
2. 如果autoload_func==NULL, 則查找系統中是否定義有__autoload()函數，如果沒有，則報告錯誤并退出。
3. 如果定義了__autoload()函數，則執行__autoload()嘗試加載類，并傳回加載結果。
4. 如果autoload_func不為NULL，則直接執行autoload_func指針指向的函數用來加載類。注意此時并不檢查__autoload()函數是否定義。

真相終于大白，PHP提供了兩種方法來實作自動裝載機制，一種我們前面已經提到過，是使用使用者定義的__autoload()函數，這通常在PHP源程式中來實作；另外一種就是設計一個函數，将autoload_func指針指向它，這通常使用C語言在PHP擴充中實作。如果既實作了__autoload()函數，又實作了autoload_func(将autoload_func指向某一PHP函數)，那麼隻執行autoload_func函數。

SPL autoload 機制的實作

SPL是Standard PHP Library(标準PHP庫)的縮寫。它是PHP5引入的一個擴充庫，其主要功能包括autoload機制的實作及包括各種Iterator接口或類。SPL autoload機制的實作是通過将函數指針autoload_func指向自己實作的具有自動裝載功能的函數來實作的。SPL有兩個不同的函數spl_autoload, spl_autoload_call，通過将autoload_func指向這兩個不同的函數位址來實作不同的自動加載機制。

spl_autoload是SPL實作的預設的自動加載函數，它的功能比較簡單。它可以接收兩個參數，第一個參數是class_name，表示類名，第二個參數classname，表示類名，第二個參數file_extensions是可選的，表示類檔案的擴充名，可以在file_extensions中指定多個擴充名，護展名之間用分号隔開即可；如果不指定的話，它将使用預設的擴充名.inc或.php。spl_autoload首先将fileextensions中指定多個擴充名，護展名之間用分号隔開即可；如果不指定的話，它将使用預設的擴充名.inc或.php。splautoload首先将class_name變為小寫，然後在所有的include path中搜尋class_name.inc或classname.inc或class_name.php檔案(如果不指定$file_extensions參數的話)，如果找到，就加載該類檔案。你可以手動使用spl_autoload(”Person”, “.class.php”)來加載Person類。實際上，它跟require/include差不多，不同的它可以指定多個擴充名。

怎樣讓spl_autoload自動起作用呢，也就是将autoload_func指向spl_autoload？答案是使用spl_autoload_register函數。在PHP腳本中第一次調用spl_autoload_register()時不使用任何參數，就可以将autoload_func指向spl_autoload。

通過上面的說明我們知道，spl_autoload的功能比較簡單，而且它是在SPL擴充中實作的，我們無法擴充它的功能。如果想實作自己的更靈活的自動加載機制怎麼辦呢？這時，spl_autoload_call函數閃亮登場了。

我們先看一下spl_autoload_call的實作有何奇妙之處。在SPL子產品内部，有一個全局變量autoload_functions，它本質上是一個HashTable，不過我們可以将其簡單的看作一個連結清單，連結清單中的每一個元素都是一個函數指針,指向一個具有自動加載類功能的函數。spl_autoload_call本身的實作很簡單，隻是簡單的按順序執行這個連結清單中每個函數，在每個函數執行完成後都判斷一次需要的類是否已經加載，如果加載成功就直接傳回，不再繼續執行連結清單中的其它函數。如果這個連結清單中所有的函數都執行完成後類還沒有加載，spl_autoload_call就直接退出，并不向使用者報告錯誤。是以，使用了autoload機制，并不能保證類就一定能正确的自動加載，關鍵還是要看你的自動加載函數如何實作。

那麼自動加載函數連結清單autoload_functions是誰來維護呢？就是前面提到的spl_autoload_register函數。它可以将使用者定義的自動加載函數注冊到這個連結清單中，并将autoload_func函數指針指向spl_autoload_call函數（注意有一種情況例外，具體是哪種情況留給大家思考）。我們也可以通過spl_autoload_unregister函數将已經注冊的函數從autoload_functions連結清單中删除。

上節說過，當autoload_func指針非空時，就不會自動執行__autoload()函數了，現在autoload_func已經指向了spl_autoload_call，如果我們還想讓__autoload()函數起作用應該怎麼辦呢？當然還是使用spl_autoload_register(__autoload)調用将它注冊到autoload_functions連結清單中。

現在回到第一節最後的問題，我們有了解決方案：根據每個類庫不同的命名機制實作各自的自動加載函數，然後使用spl_autoload_register分别将其注冊到SPL自動加載函數隊列中就可了。這樣我們就不用維護一個非常複雜的__autoload函數了。

autoload 效率問題及對策

使用autoload機制時，很多人的第一反應就是使用autoload會降低系統效率，甚至有人幹脆提議為了效率不要使用autoload。在我們了解了autoload實作的原理後，我們知道autoload機制本身并不是影響系統效率的原因，甚至它還有可能提高系統效率，因為它不會将不需要的類加載到系統中。

那麼為什麼很多人都有一個使用autoload會降低系統效率的印象呢？實際上，影響autoload機制效率本身恰恰是使用者設計的自動加載函數。如果它不能高效的将類名與實際的磁盤檔案(注意，這裡指實際的磁盤檔案，而不僅僅是檔案名)對應起來，系統将不得不做大量的檔案是否存在(需要在每個include path中包含的路徑中去尋找)的判斷，而判斷檔案是否存在需要做磁盤I/O操作，衆所周知磁盤I/O操作的效率很低，是以這才是使得autoload機制效率降低的罪魁禍首!

是以，我們在系統設計時，需要定義一套清晰的将類名與實際磁盤檔案映射的機制。這個規則越簡單越明确，autoload機制的效率就越高。

結論