Arthur's Blog

3.4.6 类的自动加载

在实际使用中，通常会把一个类定义在一个文件中，然后使用时include加载进来，这样就带来一个问题：在每个文件的头部都需要包含一个长长的include列表，而且当文件名称修改时也需要把每个引用的地方都改一遍，另外前面我们也介绍过，原则上父类需要在子类定义之前定义，当存在大量类时很难得到保证，因此PHP提供了一种类的自动加载机制，当使用未被定义的类时自动调用类加载器将类加载进来，方便类的同一管理。

在内核实现上类的自动加载实际就是定义了一个钩子函数，实例化类时如果在EG(class_table)中没有找到对应的类则会调用这个钩子函数，调用完以后再重新查找一次。这个钩子函数保存在EG(autoload_func)中。

PHP中提供了两种方式实现自动加载：__autoload()、spl_autoload_register()。

(1)__autoload():

这种方式比较简单，用户自定义一个__autoload()函数即可，参数是类名，当实例化一个类是如果没有找到这个类则会查找用户是否定义了__autoload()函数，如果定义了则调用此函数，比如：

//文件1：my_class.php
<?php
class my_class {
    public $id = 123;
}

//文件2：b.php
<?php
function __autoload($class_name){
    //do something...
    include $class_name . '.php';
}

$obj = new my_class();
var_dump($obj);

(2)spl_autoload_register():

相比__autoload()只能定义一个加载器，spl_autoload_register()提供了更加灵活的注册方式，可以支持任意数量的加载器，比如第三方库加载规则不可能保持一致，这样就可以通过此函数注册自己的加载器了，在实现上spl创建了一个队列来保存用户注册的加载器，然后定义了一个spl_autoload函数到EG(autoload_func)，当找不到类时内核回调spl_autoload，这个函数再依次调用用户注册的加载器，没调用一个重新检查下查找的类是否在EG(class_table)中已经注册，仍找不到的话继续调用下一

3.4.5 魔术方法

PHP在类的成员方法中预留了一些特殊的方法，它们会在一些特殊的时机被调用(比如创建对象之初、访问成员属性时...)，这类方法称为：魔术方法，包括：construct()、destruct()、call()、callStatic()、get()、set()、isset()、unset()、sleep()、wakeup()、toString()、invoke()、 set_state()、 clone() 和 __debugInfo()，关于这些方法的用法这里不作说明，不清楚的可以翻下官方文档。

魔术方法实际是PHP提供的一些特殊操作时的钩子函数，与普通成员方法无异，它们只是与一些操作的口头约定，并没有什么字段标识它们，比如我们定义了一个函数：my_function()，我们希望在这个函数处理对象时首先调用其成员方法my_magic()，那么my_magic()也可以认为是一个魔术方法。

魔术方法与普通成员方法一样保存在zend_class_entry.function_table中，另外针对一些内核常用到的成员方法在zend_class_entry中还有一些单独的指针指向具体的成员方法：

struct _zend_class_entry {
    ...
    union _zend_function *constructor;
    union _zend_function *destructor;
    union _zend_function *clone;
    union _zend_function *__get;
    union _zend_function *__set;
    union _zend_function *__unset;
    union _zend_function *__isset;
    union _zend_function *__call;
    union _zend_function *__callstatic;
    union _zend_function *__tostring;
    union _zend_function *__debugInfo;
    ...
}

在编译成员方法时如果发现与这些魔术方法名称一致，则除了插入zend_class_entry.funct

3.4.4 动态属性

前面介绍的成员属性都是在类中明确的定义过的，这些属性在实例化时会被拷贝到对象空间中去，PHP中除了显示的在类中定义成员属性外，还可以动态的创建非静态成员属性，这种属性不需要在类中明确定义，可以直接通过：$obj->property_name=xxx、$this->property_name = xxx为对象设置一个属性，这种属性称之为动态属性，举个例子：

class my_class {
    public $id = 123;

    public function test($name, $value){
        $this->$name = $value;
    }
}

$obj = new my_class;
$obj->test("prop_1", array(1,2,3));
//或者直接：
//$obj->prop_1 = array(1,2,3);

print_r($obj);

在test()方法中直接操作了没有定义的成员属性，上面的例子将输出：

my_class Object
(
    [id] => 123
    [prop_1] => Array
        (
             [0] => 1
             [1] => 2
             [2] => 3
        )
)

前面类、对象两节曾介绍，非静态成员属性值在实例化时保存到了对象中，属性的操作按照编译时按顺序编好的序号操作，各对象对其非静态成员属性的操作互不干扰，那么动态属性是在运行时创建的，它是如何存储的呢？

与普通非静态属性不同，动态创建的属性保存在zend_object->properties哈希表中，查找的时候首先按照普通属性在zend_class_entry.properties_info找，没有找到再去zend_object->properties继续查找。动态属性的创建过程(即：修改属性的操作)：

//zend_object->handlers->write_property:
ZEND_API void zend_std_write_property(zval *object, zval *member, zval *value, void **cache_slot)
{
    ...
    

3.4.2 对象

对象是类的实例，PHP中要创建一个类的实例，必须使用 new 关键字。类应在被实例化之前定义（某些情况下则必须这样，比如3.4.1最后那几个例子）。

3.4.2.1 对象的数据结构

对象的数据结构非常简单：

typedef struct _zend_object     zend_object;

struct _zend_object {
    zend_refcounted_h gc; //引用计数
    uint32_t          handle;
    zend_class_entry *ce; //所属类
    const zend_object_handlers *handlers; //对象操作处理函数
    HashTable        *properties;
    zval              properties_table[1]; //普通属性值数组
};

几个主要的成员：

(1)handle: 一次request期间对象的编号，每个对象都有一个唯一的编号，与创建先后顺序有关，主要在垃圾回收时用，下面会详细说明。

(2)ce: 所属类的zend_class_entry。

(3)handlers: 这个保存的对象相关操作的一些函数指针，比如成员属性的读写、成员方法的获取、对象的销毁/克隆等等，这些操作接口都有默认的函数。

struct _zend_object_handlers {
    int                                     offset;
    zend_object_free_obj_t                  free_obj; //释放对象
    zend_object_dtor_obj_t                  dtor_obj; //销毁对象
    zend_object_clone_obj_t                 clone_obj;//复制对象

    zend_object_read_property_t             read_property; //读取成员属性
    zend_object_write_property_t            write_property;//修改成员属性
  

3.4.1 类

类是现实世界或思维世界中的实体在计算机中的反映，它将某些具有关联关系的数据以及这些数据上的操作封装在一起。在面向对象中类是对象的抽象，对象是类的具体实例。

在PHP中类编译阶段的产物，而对象是运行时产生的，它们归属于不同阶段。

PHP中我们这样定义一个类：

class 类名 {
    常量;
    成员属性;
    成员方法;
}

一个类可以包含有属于自己的常量、变量（称为“属性”）以及函数（称为“方法”），本节将围绕这三部分具体弄清楚以下几个问题：

• a.类的存储及索引
• b.成员属性的存储结构
• c.成员方法的存储结构
• d.成员方法的调用过程及与普通function调用的差别

3.4.1.1 类的结构及存储

首先我们看下类的数据结构：

struct _zend_class_entry {
    char type;          //类的类型：内部类ZEND_INTERNAL_CLASS(1)、用户自定义类ZEND_USER_CLASS(2)
    zend_string *name;  //类名，PHP类不区分大小写，统一为小写
    struct _zend_class_entry *parent; //父类
    int refcount;
    uint32_t ce_flags;  //类掩码，如普通类、抽象类、接口，除了这还有别的含义，暂未弄清

    int default_properties_count;        //普通属性数，包括public、private
    int default_static_members_count;    //静态属性数，static
    zval *default_properties_table;      //普通属性值数组
    zval *default_static_members_table;  //静态属性值数组
    zval *static_members_table;
    HashTable function_table;  //成员方法哈希表
    HashTable properties_info; //成员属性基本信息哈希表，key为成员名，value为zend_property_info
    HashTable constants_table; 

3.3.4 全局execute_data和opline

Zend执行器在opcode的执行过程中，会频繁的用到execute_data和opline两个变量，execute_data为zend_execute_data结构，opline为当前执行的指令。普通的处理方式在执行每条opcode指令的handler时，会把execute_data地址作为参数传给handler使用，使用时先从当前栈上获取execute_data地址，然后再从堆上获取变量的数据，这种方式下Zend执行器展开后是下面这样：

ZEND_API void execute_ex(zend_execute_data *ex)
{
    zend_execute_data *execute_data = ex;

    while (1) {
        int ret;

        if (UNEXPECTED((ret = ((opcode_handler_t)execute_data->opline->handler)(execute_data)) != 0)) {
            if (EXPECTED(ret > 0)) {
                execute_data = EG(current_execute_data);
            } else {
                return;
            }
        }
    }
}

执行器实际是一个大循环，从第一条opcode开始执行，execute_data->opline指向当前执行的指令，执行完以后指向下一条指令，opline类似eip(或rip)寄存器的作用。通过这个循环，ZendVM完成opcode指令的执行。opcode执行完后以后指向下一条指令的操作是在当前handler中完成，也就是说每条执行执行完以后会主动更新opline，这里会有下面几个不同的动作：

#define ZEND_VM_CONTINUE()     return  0
#define ZEND_VM_ENTER()        return  1
#define ZEND_VM_LEAVE()        return  2
#define ZEND_VM_RETURN()      

3.3 Zend引擎执行过程

Zend引擎主要包含两个核心部分：编译、执行：

前面分析了Zend的编译过程以及PHP用户函数的实现，接下来分析下Zend引擎的执行过程。

3.3.1 数据结构

执行流程中有几个重要的数据结构，先看下这几个结构。

3.3.1.1 opcode

opcode是将PHP代码编译产生的Zend虚拟机可识别的指令，php7共有173个opcode，定义在zend_vm_opcodes.h中，PHP中的所有语法实现都是由这些opcode组成的。

struct _zend_op {
    const void *handler; //对应执行的C语言function，即每条opcode都有一个C function处理
    znode_op op1;   //操作数1
    znode_op op2;   //操作数2
    znode_op result; //返回值
    uint32_t extended_value; 
    uint32_t lineno; 
    zend_uchar opcode;  //opcode指令
    zend_uchar op1_type; //操作数1类型
    zend_uchar op2_type; //操作数2类型
    zend_uchar result_type; //返回值类型
};

3.3.1.2 zend_op_array

zend_op_array是Zend引擎执行阶段的输入，整个执行阶段的操作都是围绕着这个结构，关于其具体结构前面我们已经讲过了。

这里再重复说下zend_op_array几个核心组成部分：

• opcode指令：即PHP代码具体对应的处理动作，与二进制程序中的代码段对应
• 字面量存储：PHP代码中定义的一些变量初始值、调用的函数名称、类名称、常量名称等等称之为字面量，这些值用于执行时初始化变量、函数调用等等
• 变量分配情况：与字面量类似，这里指的是当前opcodes定义了多少变量、临时变量，每个变量都有一个对应的编号，执行初始化按照总的数目一次性分配zval，使用时也完全按照编号索引，而不是根据变量名索引

3.3.1.3 zend_executor_globals

zend_executor_globals executor_globals是PHP整个生命周期中最主要的一个结构，是一个全

3.1.2 抽象语法树编译流程

上一小节我们简单介绍了从PHP代码解析为抽象语法树的过程，这一节我们再介绍下从 抽象语法树->Opcodes 的过程。

语法解析过程的产物保存于CG(AST)，接着zend引擎会把AST进一步编译为 zend_op_array ，它是编译阶段最终的产物，也是执行阶段的输入，后面我们介绍的东西基本都是围绕zendoparray展开的，AST解析过程确定了当前脚本定义了哪些变量，并为这些变量 __顺序编号 ，这些值在使用时都是按照这个编号获取的，另外也将变量的初始化值、调用的函数/类/常量名称等值(称之为字面量)保存到zend_op_array.literals中，这些字面量也有一个唯一的编号，所以执行的过程实际就是根据各指令调用不同的C函数，然后根据变量、字面量、临时变量的编号对这些值进行处理加工。

我们首先看下zend_op_array的结构，明确几个关键信息，然后再看下ast编译为zend_op_array的过程。

3.1.2.1 zend_op_array数据结构

PHP主脚本会生成一个zend_op_array，每个function也会编译为独立的zend_op_array，所以从二进制程序的角度看zend_op_array包含着当前作用域下的所有堆栈信息，函数调用实际就是不同zend_op_array间的切换。

struct _zend_op_array {
    //common是普通函数或类成员方法对应的opcodes快速访问时使用的字段，后面分析PHP函数实现的时候会详细讲
    ...

    uint32_t *refcount;

    uint32_t this_var;

    uint32_t last;
    //opcode指令数组
    zend_op *opcodes;

    //PHP代码里定义的变量数：op_type为IS_CV的变量，不含IS_TMP_VAR、IS_VAR的
    //编译前此值为0，然后发现一个新变量这个值就加1
    int last_var;
    //临时变量数:op_type为IS_TMP_VAR、IS_VAR的变量
    uint32_t T;
    //PHP变量名数组
    zend_string **vars; //这个数组在ast编译期间配合

3.1 PHP代码的编译

PHP是解析型高级语言，事实上从Zend内核的角度来看PHP就是一个普通的C程序，它有main函数，我们写的PHP代码是这个程序的输入，然后经过内核的处理输出结果，内核将PHP代码"翻译"为C程序可识别的过程就是PHP的编译。

那么这个"翻译"过程具体都有哪些操作呢？

C程序在编译时将一行行代码编译为机器码，每一个操作都认为是一条机器指令，这些指令写入到编译后的二进制程序中，执行的时候将二进制程序load进相应的内存区域(常量区、数据区、代码区)、分配运行栈，然后从代码区起始位置开始执行，这是C程序编译、执行的简单过程。

同样，PHP的编译与普通的C程序类似，只是PHP代码没有编译成机器码，而是解析成了若干条opcode数组，每条opcode就是C里面普通的struct，含义对应C程序的机器指令，执行的过程就是引擎依次执行opcode，比如我们在PHP里定义一个变量:$a = 123;，最终到内核里执行就是malloc一块内存，然后把值写进去。

所以PHP的解析过程任务就是将PHP代码转化为opcode数组，代码里的所有信息都保存在opcode中，然后将opcode数组交给zend引擎执行，opcode就是内核具体执行的命令，比如赋值、加减操作、函数调用等，每一条opcode都对应一个处理handle，这些handler是提前定义好的C函数。

从PHP代码到opcode是怎么实现的？最容易想到的方式就是正则匹配，当然过程没有这么简单。PHP编译过程包括词法分析、语法分析，使用re2c、bison完成，旧的PHP版本直接生成了opcode，PHP7新增了抽象语法树（AST），在语法分析阶段生成AST，然后再生成opcode数组。

PHP编译阶段的基本过程如下图：

后面两个小节将看下 PHP代码->AST->Opcodes 的具体编译过程。