深入理解PHP内核(一)

PHP作为一门简单而强大的语言,能够提供很多Web适用的语言特性。从实践出发,继弱类型变量原理探究后,本文继续带领大家深入理解php内核。

 最近,和一个网友交流的时候,给我提了一个非常奇怪的问题。那就是,在一个运算中,加了一个引用之后,发现性能慢了一万倍。在我的脑海里面,引用是一个非常容易出错的问题,特别是PHP里面的引用,有非常多的陷阱。因为,以前专门研究过这一块PHP的源代码,所以,我可以比较清晰的解析引用到底是怎么一回事,希望,读了我这篇文章,能彻底理解这个问题。如果,有任何疑问,或者有一些你想了解的问题,可以给我留言。

先来看一段代码:

class RefferTest
{
 private $data;
 private $testKey;
 function __construct()
 {
  $key = "hello";
  $this->data[$key] = range(0, 10000);
  $this->testKey = $key;
 }
 function reffer($key)
 {
  $reffer = &$this->data[$key];
  return count($reffer);
 }
 function noreffer($key)
 {
  return count($this->data[$key]);
 }
 function test()
 {
  $t1 = microtime(true);
  for ($i = 0; $i < 5000; $i++)
  {
   $this->reffer($this->testKey);
  }
  $t2 = microtime(true) - $t1;
  var_dump("reffer: " . round($t2, 4));
  $t1 = microtime(true);
  for ($i = 0; $i < 5000; $i++)
  {
   $this->noreffer($this->testKey);
  }
  $t2 = microtime(true) - $t1;
  var_dump("noreffer: " . round($t2, 4));
 }
}
$test = new RefferTest();
$test->test();

 如果你完这个代码,能说出,为了reffer 和 noreffer会差一万倍的性能,那下面的也就没有必要往下看了。这篇博客针对的是,PHP的新手。你可以运行一下这个代码试试看,的确差了一万倍。当然,那个网友遇到的问题的代码要比上面的复杂,上面的代码是我为了说明问题,特意简化的。或许你已经从代码里面看出问题了,但是,至于为什么会这样。我想,还是有必要分析一下。这样,以后,在使用PHP的时候,才不会犯相同的错误。

PHP为了减少复制,采用了一种copy on writer的机制。我想,这是一种非常常见的机制,你也一定听说过。比如,gcc 的 stl string 的实现,就是采用这样的机制,字符串赋值,不是真正的复制,而且,在修改的时候才会进行复制。我们先来举个最简单的例子:

 $a = str_repeat("", );
  $b = $a;
  $a[] = "";

$a 是一个非常大的字符串,如果 $b = $a 的时候,进行复制,那要耗费很多内存 和 cpu,这样非常的不划算,万一,下面的代码并不修改$a 和 $b 那复制根本没有必要。当然,$a 在后面又被修改了,这个时候,必须进行复制了,否则就不符合逻辑了。但是,现在问题来了,怎么知道,$a 在修改的时候,要进行复制呢,必须要有这样一个标记。方法就是采用引用计数。引用计数还被用来进行内存的管理。

基本的流程是这样的:

1: 创建一个变量,可以保存 10000 个 0 的这样一个字符串。

2: 创建一个变量符号 a ,这个变量符号引用 这个变量。注意,变量符号 和 变量不是一回事情,这两者是分离的。

如果从C语言的角度来说,PHP大概完成这样一件事情:

  char *varname = "a";
  size_t varname_len = strlen(varname);
  zend_hash_add(EG(active_symbol_table), varname, varname_len + , &var, sizeof(zval*), NULL);

active_symbol_table 是PHP的一个符号表,所有能访问到的变量都在这个里面,他是一个哈希表。var 这个变量,保存了 10000 个 0 这个字符串。而且是zval的结构,zval的结构如下:

typedef struct _zval_struct {
 zvalue_value value;
 zend_uint refcount;
 zend_uchar type;
 zend_uchar is_ref;
} zval;
typedef union _zvalue_value {
 long lval;
 double dval;
 struct {
  char *val;
  int len;
 } str;
 HashTable *ht;
 zend_object_value obj;
} zvalue_value;

 zvalue_value 是一个联合,可以保存 long, double, 字符串,哈希表(PHP Array),还有就是 对象。也就是所有的PHP的类型。 zval 其实 就是 对 zvalue_value ,加入了类型type 和 引用is_ref,引用计数refcount三个功能。这就是PHP中的普通变量。要是用PHP做比较大型的东西,就会发现,内存占用非常厉害。就是因为,他一个变量 不是 传统C语言的那个变量了,它加了很多东西。

好了,第一句完成了,下面是第二句。第二句很简单,会产生一个新的变量符号b,把他加入 active_symbol_table ,但是不会增加新的一个变量,而只是,refcount++。赋值就完成了。如图:

首先我们要注意的是,a ,b 只是一个符号,他是active_symbol_table 表里面的一个key,都有一个指针指向一个zval,所以,a 和b 在 C语言层面上是完全一致的。我们就得出PHP变量第一定律:

PHP变量第一定律:如果两个变量指向同一个zval,那么这两个变量是无差别的。也就是说,任何对a 的操作 相对b 都是对称的。这里的对称,是这样理解的。就是镜子中的你,而不是等同。比如,对 a 进行 赋值,a 就会产生 copy。同样的,如果对b进行赋值,也会进行相同的操作,那就是b产生一个copy。也就是说,a 和b的行为是一样的。

第三句,当writer发生的时候,PHP会判断一下refcount 是否大于2,如果大于2,那么就复制一下zval,然后,把原来那个zval refcount--。这就是copy on writer 的全部了,你一定觉得,这一切你都是非常的熟悉,你都懂。

但是,PHP不仅仅是copy on writer 这样简单,它还有一个引用的问题。引入引用的概念,这样,问题就变的有些复杂了。因为,引用这个标记,意思就是说,writer 的时候,你也不需要复制。这样,会修改原来的那个变量。从我们在学校里面以前经常学习的哲学上来说,这是一对矛盾。他们是对立的,又是统一的,各有各的用处。所谓,存在的就是合理的。

好,下面我们来看看这对矛盾,我们只考虑两种组合的情况。多种组合都是类似的。两种组合的话,就是赋值在前,引用在后。

或者  引用在前,赋值在后。我们会分别讨论,先来看:就是赋值在前,引用在后的情况。

  $a = ;
   $b = $a;
   $c = &$a;

$b = $a, 是copy on writer 行为的 赋值。而 $c 和 $a 是引用赋值。我们假设在上面这样的情况下,我们可以用一个zval表示,也就是不需要复制,那么情况是这样的:

根据我们的PHP变量第一定律,那,就是说,a,b,c的操作是对称的,但是非常明显,对 b 操作要产生复制行为,而对a操作不会产生复制,操作行为不相同,和第一定律矛盾。也就是说,要使得上面的操作没有矛盾,必须,进行分离。分离的原则就是,谁制造矛盾,谁复制。显然是 第三句话,$c = &$a; 在制造矛盾。所以,内部变量的复制过程如下图:

上面情况是赋值在前,引用在后的情况。还有一种情况是,引用在前赋值在后:

 $a = ;
   $b = &$a;
   $c = $a;

按照PHP变量的第一定律,a,b,c 必须进行分离,才能保证定律的正确。可以发现,b 和 a 明显是一伙人,就是说,b 和 a 的操作是对称的,他们可以指向同一个zval ,而c 的行为和 a,b 不一样,改变c 需要进行复制。看到这里,我想,如果你看懂了的话,为什么刚开始,贴出来的那段代码的,那个两个count差异如此之大,你也应该明白了。当我和那个网友讨论的时候,它最后说,那这样的话,PHP设计的不好,我完全可以,$c先不进行复制,等c被write 了,再进行复制。看来要说懂一个东西,还是一件很难的事情,好好想想那个PHP第一定律吧。你可以假设不进行分离,c指向同一个zval,所以,c 和 a,b的行为是一样的,是is_ref = 1,所以,c 不会进行复制。最后一种内部执行情况可以用下图表示:

我以前也进行搞混这个引用,现在,你可以用那个第一定律来分析所有的情况了。PHP内核分析的文章,以后我还会写一些,如果你想深入了解PHP的某些方面,可以给我留言。

最后再补充一点,也是一个隐性的错误。

function count_bigarray()
{
 global $bigarray;
 return count($bigarray);
}

这里,没有显示的引用,但是这里隐藏了一个引用。PHP会自动创建一个引用全局变量 $bigarray 的代码,如果你在这里使用count,那么这个效率会非常的慢。最好直接通过$GLOBAL 数组进行引用。

下面文章将给大家介绍深入理解php内核二之SAPI探究,希望大家继续关注哦。

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