PHP内核探索:zend_execute的具体执行过程

解释器最终执行op的函数是zend_execute
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解释器引擎最终执行op的函数是zend_execute,实际上zend_execute是一个函数指针,在引擎初始化的时候zend_execute默认指向了execute,这个execute定义在{PHPSRC}/Zend/zend_vm_execute.h:

ZEND_API void execute(zend_op_array *op_array TSRMLS_DC)  
{  
    zend_execute_data *execute_data;  
    zend_bool nested = 0;  
    zend_bool original_in_execution = EG(in_execution);  
  
  
    if (EG(exception)) {  
        return;  
    }  
  
    EG(in_execution) = 1;  
  
zend_vm_enter:  
    /* Initialize execute_data */  
    execute_data = (zend_execute_data *)zend_vm_stack_alloc(  
        ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(sizeof(zend_execute_data)) +  
        ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(sizeof(zval**) * op_array->last_var * (EG(active_symbol_table) ? 1 : 2)) +  
        ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(sizeof(temp_variable)) * op_array->T TSRMLS_CC);  
  
    EX(CVs) = (zval***)((char*)execute_data + ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(sizeof(zend_execute_data)));  
    memset(EX(CVs), 0, sizeof(zval**) * op_array->last_var);  
    EX(Ts) = (temp_variable *)(((char*)EX(CVs)) + ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(sizeof(zval**) * op_array->last_var * (EG(active_symbol_table) ? 1 : 2)));  
    EX(fbc) = NULL;  
    EX(called_scope) = NULL;  
    EX(object) = NULL;  
    EX(old_error_reporting) = NULL;  
    EX(op_array) = op_array;  
    EX(symbol_table) = EG(active_symbol_table);  
    EX(prev_execute_data) = EG(current_execute_data);  
    EG(current_execute_data) = execute_data;  
    EX(nested) = nested;  
    nested = 1;  
  
    if (op_array->start_op) {  
        ZEND_VM_SET_OPCODE(op_array->start_op);  
    } else {  
        ZEND_VM_SET_OPCODE(op_array->opcodes);  
    }  
  
    if (op_array->this_var != -1 && EG(This)) {  
        Z_ADDREF_P(EG(This)); /* For $this pointer */  
        if (!EG(active_symbol_table)) {  
            EX(CVs)[op_array->this_var] = (zval**)EX(CVs) + (op_array->last_var + op_array->this_var);  
            *EX(CVs)[op_array->this_var] = EG(This);  
        } else {  
            if (zend_hash_add(EG(active_symbol_table), "this", sizeof("this"), &EG(This), sizeof(zval *), (void**)&EX(CVs)[op_array->this_var])==FAILURE) {  
                Z_DELREF_P(EG(This));  
            }  
        }  
    }  
  
    EG(opline_ptr) = &EX(opline);  
  
    EX(function_state).function = (zend_function *) op_array;  
    EX(function_state).arguments = NULL;  
      
    while (1) {  
        int ret;  
#ifdef ZEND_WIN32  
        if (EG(timed_out)) {  
            zend_timeout(0);  
        }  
#endif  
  
        if ((ret = EX(opline)->handler(execute_data TSRMLS_CC)) > 0) {  
            switch (ret) {  
                case 1:  
                    EG(in_execution) = original_in_execution;  
                    return;  
                case 2:  
                    op_array = EG(active_op_array);  
                    goto zend_vm_enter;  
                case 3:  
                    execute_data = EG(current_execute_data);  
                default:  
                    break;  
            }  
        }  
  
    }  
    zend_error_noreturn(E_ERROR, "Arrived at end of main loop which shouldn't happen");  
}

此函数的参数为op_array,这是一个指向zend_op_array的指针,op_array是在编译过程中生成,这里有必要介绍一下zend_op_array这个类型。

zend_op_array简介

此类型的定义在{PHPSRC}/Zend/zend_compile.h:

struct _zend_op_array {  
    /* Common elements */  
    zend_uchar type;  
    char *function_name;          
    zend_class_entry *scope;  
    zend_uint fn_flags;  
    union _zend_function *prototype;  
    zend_uint num_args;  
    zend_uint required_num_args;  
    zend_arg_info *arg_info;  
    zend_bool pass_rest_by_reference;  
    unsigned char return_reference;  
    /* END of common elements */  
  
    zend_bool done_pass_two;  
  
    zend_uint *refcount;  
  
    zend_op *opcodes;  
    zend_uint last, size;  
  
    zend_compiled_variable *vars;  
    int last_var, size_var;  
  
    zend_uint T;  
  
    zend_brk_cont_element *brk_cont_array;  
    int last_brk_cont;  
    int current_brk_cont;  
  
    zend_try_catch_element *try_catch_array;  
    int last_try_catch;  
  
    /* static variables support */  
    HashTable *static_variables;  
  
    zend_op *start_op;  
    int backpatch_count;  
  
    zend_uint this_var;  
  
    char *filename;  
    zend_uint line_start;  
    zend_uint line_end;  
    char *doc_comment;  
    zend_uint doc_comment_len;  
    zend_uint early_binding; /* the linked list of delayed declarations */  
  
    void *reserved[ZEND_MAX_RESERVED_RESOURCES];  
};  
  
typedef struct _zend_op_array zend_op_array;  

此结构比较复杂,我们目前只介绍最基本的几个字段。

1.type:

op_array的类型,首先需要说明的是,一段PHP代码被编译之后,虽然返回的是一个zend_op_array指针,但是实际上生成的zend_op_array结构可能不止一个,通过这个结构中的一些字段,例如function_name ,num_args等你也许会发现这个zend_op_array结构似乎能和函数产生一定的联系,确实如此,用户自定义的函数,以及用户定义的类的方法,都是一个zend_op_array结构,这些zend_op_array结构在编译过程中被保存在某些地方,例如用户自定义的函数被保存进了GLOBAL_FUNCTION_TABLE,这个是全局函数符号表,通过函数名可以在此表中检索到函数体。那么编译后返回的那个zend_op_array指针是什么呢,其实编译后返回的zend_op_array是执行的一个入口,也可以认为它是最外层,即不在任何函数体内的全局代码组成的op_array。然而全局代码,用户自定义函数,用户自定义的方法都拥有相同的type值:2 ,type可取值的宏定义为:

#define ZEND_INTERNAL_FUNCTION              1  
#define ZEND_USER_FUNCTION                  2  
#define ZEND_OVERLOADED_FUNCTION            3  
#define ZEND_EVAL_CODE                      4  
#define ZEND_OVERLOADED_FUNCTION_TEMPORARY  5  

可以看到全局代码,用户函数,用户方法都对应的是ZEND_USER_FUNCTION,这个也是最常见的type了,其中ZEND_EVAL_CODE对应的是eval函数中的PHP代码,所以我们可以想到,eval函数参数中的PHP代码也会被编译成单独的zend_op_array。

2.function_name

如果op_array是由用户定义的函数或则方法编译而生成,那么此字段对应函数的名字,如果是全局代码或则是eval部分的代码,那么此字段为控制。

3.opcodes

这个字段类型为zend_op *,因此这是一个zend_op的数组,这个数组保存的就是此编译过程中生成的op,如果不了解zend_op,可以看看之前的文章 OPcode简介 , 这个字段是最重要的部分了,zend_execute最终就是执行这里保存的op。

现在基本对参数op_array有了一定的了解,那么我们就开始进入到execute中。

执行过程详解

execute函数开始的时候是一些基础变量的申明,其中zend_execute_data *execute_data;是执行期的数据结构,此变量在进行一定的初始化之后将会被传递给每个op的handler函数作为参数,op在执行过程中随时有可能改变execute_data中的内容。

  • 第14行zend_vm_enter 这个跳转标签是作为虚拟机执行的入口,当op中涉及到函数调用的时候,就有可能会跳转到这里来执行函数体。
  • 第16行到第19行为execute_data分配空间
  • 第21行到第32行主要是对execute_data进行一些初始化,以及保存现场工作,要保存现场是因为在进入函数调用的时候,需要保存当前一些运行期间的数据,在函数调用结束之后再进行还原,可以想象为操作系统中进程调度,当进程在调出的时候需要保存寄存器等上下文环境,而当进程被调入的时候再取出来继续执行。
  • 第41行到第51行主要是在当前动态符号表中加入$this变量,这个是在调用对象的方法时才有必要进行。
  • 第58行开始的while无限循环就是开始执行op_array中的opcodes了,在第66行中调用当前执行的op的handler:
EX(opline)->handler(execute_data TSRMLS_CC))

然后如果handler的返回值小于0则循环继续,如果大于0则进入一个switch结构:

  • 当返回值为1时:execute函数将返回,执行也就结束了。
  • 当返回值为2时:op_array被重新设置,并跳转到zend_vm_enter ,这个一般是函数调用或则执行eval函数中的代码,将在新的上下文执行相关函数的op_array
  • 当返回值为3时:循环体继续继续执行,当然再继续执行之前,EX(opline)已经往后移了一位(可能多位),也就是已经指向了后面一个新的opline,于是继续执行新的opline
  • 当返回其他值时:结束循环,报错,结束应该用return,也就是返回1

在op的handler中返回特定的值都被定义成了宏,例如{PHPSRC}/Zend/zend_execute.c中定义的:

#define ZEND_VM_NEXT_OPCODE() /  
    CHECK_SYMBOL_TABLES() /  
    EX(opline)++; /  
    ZEND_VM_CONTINUE()  
  
#define ZEND_VM_SET_OPCODE(new_op) /  
    CHECK_SYMBOL_TABLES() /  
    EX(opline) = new_op  
  
#define ZEND_VM_JMP(new_op) /  
    CHECK_SYMBOL_TABLES() /  
    if (EXPECTED(!EG(exception))) { /  
        EX(opline) = new_op; /  
    } /  
    ZEND_VM_CONTINUE()  
  
#define ZEND_VM_INC_OPCODE() /  
    EX(opline)++

以及在{PHPSRC}/Zend/zend_vm_execute.c中定义的:

#define ZEND_VM_CONTINUE()   return 0  
#define ZEND_VM_RETURN()     return 1  
#define ZEND_VM_ENTER()      return 2  
#define ZEND_VM_LEAVE()      return 3  
#define ZEND_VM_DISPATCH(opcode, opline) return zend_vm_get_opcode_handler(opcode, opline)(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS_PASSTHRU);  

简单介绍功能

  • ZEND_VM_NEXT_OPCODE():移动到下一条op,返回0,不进入switch,循环继续(这个是最常用到的)
  • ZEND_VM_SET_OPCODE(new_op):当前opline设置成new_op
  • ZEND_VM_JMP(new_op) :当前opline设置成new_op,返回0,不进入switch,循环继续
  • ZEND_VM_INC_OPCODE():仅仅移动到下一条op

执行环境的切换

在前面的内容已经提到,用户自定义函数,类方法,eval的代码都会编译成单独的op_array,那么当进行函数调用等操作时,必然涉及到调用前的op_array执行环境和新的函数的op_array执行环境的切换,这一段我们将以调用用户自定义函数来介绍整个切换过程如何进行。

介绍此过程前必须了解执行环境的相关数据结构,涉及到执行环境的数据结构主要有两个:

1. 执行期全局变量结构

相关的定义在{PHPSRC}/Zend/zend_globals_macros.h:

/* Executor */  
#ifdef ZTS  
# define EG(v) TSRMG(executor_globals_id, zend_executor_globals *, v)  
#else  
# define EG(v) (executor_globals.v)  
extern ZEND_API zend_executor_globals executor_globals;  
#endif  

这里是一个条件编译,ZTS表示线程安全启用,为了简化,我们这里以非线程安全模式的情况下来介绍,那么执行期的全局变量就是executor_globals,其类型为zend_executor_globals, zend_executor_globals的定义在{PHPSRC}/Zend/zend_globals.h,结构比较庞大,这里包含了整个执行期需要用到的各种变量,无论是哪个op_array在执行,都共用这一个全局变量,在执行过程中,此结构中的一些成员可能会改变,比如当前执行的op_array字段active_op_array,动态符号表字段active_symbol_table可能会根据不同的op_array而改变,This指针会根据在不同的对象环境而改变。

另外还定义了一个EG宏来取此变量中的字段值,此宏是针对线程安全和非线程安全模式的一个封装。

2.每个op_array自身的执行数据

针对每一个op_array,都会有自己执行期的一些数据,在函数execute开始的时候我们能看到zend_vm_enter跳转标签下面就会初始一个局部变量execute_data,所以我们每次切换到新的op_array的时候,都会为新的op_array建立一个execute_data变量,此变量的类型为zend_execute_data的指针,相关定义在{PHPSRC}/Zend/zend_compile.h:

struct _zend_execute_data {  
    struct _zend_op *opline;  
    zend_function_state function_state;  
    zend_function *fbc; /* Function Being Called */  
    zend_class_entry *called_scope;  
    zend_op_array *op_array;  
    zval *object;  
    union _temp_variable *Ts;  
    zval ***CVs;  
    HashTable *symbol_table;  
    struct _zend_execute_data *prev_execute_data;  
    zval *old_error_reporting;  
    zend_bool nested;  
    zval **original_return_value;  
    zend_class_entry *current_scope;  
    zend_class_entry *current_called_scope;  
    zval *current_this;  
    zval *current_object;  
    struct _zend_op *call_opline;  
};  

可以用EX宏来取其中的值:#define EX(element) execute_data->element

这里只简单介绍其中两个字段:

  •  opline: 当前正在执行的op。
  •  prev_execute_data:  op_array环境切换的时候,这个字段用来保存切换前的op_array,此字段非常重要,他能将每个op_array的execute_data按照调用的先后顺序连接成一个单链表,每当一个op_array执行结束要还原到调用前op_array的时候,就通过当前的execute_data中的prev_execute_data字段来得到调用前的执行器数据。

在executor_globals中的字段current_execute_data就是指向当前正在执行的op_array的execute_data。  

再正式介绍之前还需要简单的介绍一下用户自定义函数的调用过程,详细的过程以后再函数章节中专门介绍,这里简单的说明一下:

在调用函数的时候,比如test()函数,会先在全局函数符号表中根据test来搜索相关的函数体,如果搜索不到则会报错函数没有定义,找到test的函数体之后,取得test函数的op_array,然后跳转到execute中的goto标签:zend_vm_enter,于是就进入到了test函数的执行环境。

下面我们将以一段简单的代码来介绍执行环境切换过程,例子代码:

<?php  
$a = 123;  
  
test();  
  
function test()  
{  
    return 1;  
}  
?>  

这段代码非常简单,这样方便我们介绍原理,复杂的代码读者可以举一反三。此代码编译之后会生成两个op_array,一个是全局代码的op_array,另外一个是test函数的op_array,其中全局代码中会通过函数调用进入到test函数的执行环境,执行结束之后,会返回到全局代码,然后代码结束。

下面我们分几个阶段来介绍这段代码的过程,然后从中可以知道执行环境切换的方法。

1. 进入execute函数,开始执行op_array ,这个op_array就是全局代码的op_array,我们暂时称其为op_array1

首先在execute中为op_array1建立了一个execute_data数据,我们暂时命名为execute_data1,然后进行相关的初始化操作,其中比较重要的是:

EX(op_array) = op_array; // 设置op_array字段为当前执行的op_array,也就是全局代码的op_array1
EX(prev_execute_data) = EG(current_execute_data);//将全局执行数据中保存的当前op_array执行数据保存到op_array1的execute_data1的prev_execute_data字段,由于这是执行的第一个op_array,所以prev_execute_data实际上是空值,然后将执行期全局变量的current_execute_data设置成execute_data1,然后设置execute_data1的当前执行op,这样就可以开始执行当前的op了

2. 在op_array1执行到test函数调用的的时候,首先从全局函数符号表中找到test的函数体,将函数体保存在execute_data1的function_state字段,然后从函数体中取到test的op_array,我们这里用op_array2来表示,并将op_array2赋值给EG(active_op_array):

EG(active_op_array) = &EX(function_state).function->op_array;

于是执行期全局变量的动态op_array字段指向了函数test的op_array,然后用调用ZEND_VM_ENTER();这个时候会先回到execute函数中的switch结构,并且满足以下case

case 2:
     op_array = EG(active_op_array);
     goto zend_vm_enter;

EG(active_op_array)之前已经被我们设置为test函数的op_array2,于是在函数execute中,op_array变量就指向了test的op_array2,然后跳转到zend_vm_enter。

3. 跳转到zend_vm_enter之后其实又回到了类似1中的步骤,此时为test的op_array2建立了它的执行数据execute_data,我们这里用execute_data2来表示。跟1中有些不同的是EX(prev_execute_data) = EG(current_execute_data);这个时候current_execute_data = execute_data1,也就是全局代码的执行执行期数据,然后EG(current_execute_data) = execute_data;这样current_execute_data就等于test的执行期数据execute_data2了,同时全局代码的execute_data1被保存在execute_data2的prev_execute_data字段。这个时候进行环境的切换已经完成,于是开始执行test函数。

4. test函数执行完之后就要返回到调用前的执行环境了,也就是全局代码执行环境,此阶段最重要的一个操作就是EG(current_execute_data) = EX(prev_execute_data); 在3中EX(prev_execute_data)已经设置成了全局代码的execute_data1,所以这样当前执行数据就变成了全局代码的执行数据,这样就成功的从函数test执行环境返回到了全局代码执行环境

这样,执行环境的切换过程就完成了,对于深层次的函数调用,原理一样,执行数据execute_data组成的单链表会更长。

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阅读一百本计算机著作吧,少年

很多人觉得自己技术进步很慢,学习效率低,我觉得一个重要原因是看的书少了。多少是多呢?起码得看3、4、5、6米吧。给个具体的数量,那就100本书吧。很多人知识结构不好而且不系统,因为在特定领域有一个足够量的知识量+足够良好的知识结构,系统化以后就足以应对大量未曾遇到过的问题。

奉劝自学者:构建特定领域的知识结构体系的路径中再也没有比学习该专业的专业课程更好的了。如果我的知识结构体系足以囊括面试官的大部分甚至吞并他的知识结构体系的话,读到他言语中的一个词我们就已经知道他要表达什么,我们可以让他坐“上位”毕竟他是面试官,但是在知识结构体系以及心理上我们就居高临下。

所以,阅读一百本计算机著作吧,少年!

《大话设计模式》 程杰 (作者)

《大话设计模式》通篇都是以情景对话的形式,用多个小故事或编程示例来组织讲解GoF(设计模式的经典名著——Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software,中译本名为《设计模式——可复用面向对象软件的基础》的四位作者Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson,以及JohnVlissides,这四人常被称为GangofFour,即四人组,简称GoF)总结的23个设计模式。本书共分为29章。其中,第1、3、4、5章着重讲解了面向对象的意义、好处以及几个重要的设计原则;第2章,以及第6到第28章详细讲解了23个设计模式;第29章是对设计模式的全面总结。

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