【转】中间代码opcode的执行

执行过程

准确的来说,PHP
的执行分成了两大部分:编译和执行。这里我将不会详细展开编译的部分,而是把焦点放在执行的过程。

通过语法、词法分析等一系列的编译过程后,我们得到了一个名为 OPArray
的数据,其结构如下:

struct _zend_op_array {
    /* Common elements */
    zend_uchar type;
    zend_uchar arg_flags[3]; /* bitset of arg_info.pass_by_reference */
    uint32_t fn_flags;
    zend_string *function_name;
    zend_class_entry *scope;
    zend_function *prototype;
    uint32_t num_args;
    uint32_t required_num_args;
    zend_arg_info *arg_info;
    /* END of common elements */

    uint32_t *refcount;

    uint32_t last;
    zend_op *opcodes;

    int last_var;
    uint32_t T;
    zend_string **vars;

    int last_live_range;
    int last_try_catch;
    zend_live_range *live_range;
    zend_try_catch_element *try_catch_array;

    /* static variables support */
    HashTable *static_variables;

    zend_string *filename;
    uint32_t line_start;
    uint32_t line_end;
    zend_string *doc_comment;
    uint32_t early_binding; /* the linked list of delayed declarations */

    int last_literal;
    zval *literals;

    int  cache_size;
    void **run_time_cache;

    void *reserved[ZEND_MAX_RESERVED_RESOURCES];
};

内容超多对吧?简单的理解,其本质就是一个 OPCODE
数组外加执行过程中所需要的环境数据的集合。介绍几个相对来说比较重要的字段:

  • opcodes 存放 OPCODE 的数组。
  • filename 当前执行的脚本的文件名。
  • function_name 当前执行的方法名称。
  • static_variables 静态变量列表。
  • last_try_catch try_catch_array 当前上下文中,如果出现异常
    try-catch-finally 跳转所需的信息。
  • literals 所有诸如字符串 foo 或者数字23,这样的常量字面量集合。

为什么需要生成这样庞大的数据?因为编译时期生成的信息越多,执行时期所需要的时间就越少。

接下来,我们看下 PHP 是如何执行 OPCODE。OPCODE
的执行被放在一个大循环中,这个循环位于 zend/zend_vm_execute.h 中的 execute_ex 函数:

ZEND_API void execute_ex(zend_execute_data *ex)
{
    DCL_OPLINE

    zend_execute_data *execute_data = ex;

    LOAD_OPLINE();
    ZEND_VM_LOOP_INTERRUPT_CHECK();

    while (1) {
        if (UNEXPECTED((ret = ((opcode_handler_t)OPLINE->handler)(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS_PASSTHRU)) != 0)) {
            if (EXPECTED(ret > 0)) {
                execute_data = EG(current_execute_data);
                ZEND_VM_LOOP_INTERRUPT_CHECK();
            } else {
                return;
            }
        }
    }

    zend_error_noreturn(E_CORE_ERROR, "Arrived at end of main loop which shouldn't happen");
}

这里,我去掉了一些环境变量判断分支,保留了运行的主流程。可以看到,在一个无限循环中,虚拟机会不断调用
OPCODE
指定的 handler 函数处理指令集,直到某次指令处理的结果 ret 小于0。注意到,在主流程中并没有移动
OPCODE
数组的当前指针,而是把这个过程放到指令执行的具体函数的结尾。所以,我们在大多数
OPCODE 的实现函数的末尾,都能看到调用这个宏:

ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();

在之前那个简单例子中,我们看到 vld 打印出的执行 OPCODE
数组中,最后有一项指令为 ZEND_RETURN 的 OPCODE。但我们编写的 PHP
代码中并没有这样的语句。在编译时期,虚拟机会自动将这个指令加到 OPCODE
数组的结尾。ZEND_RETURN 指令对应的函数会返回
-1,判断执行的结果小于0时,就会退出循环,从而结束程序的运行。

22         }

结语

通过了解 Zend 虚拟机,相信你对 PHP
是如何运行的,会有更深刻的理解。想到我们写的一行行代码,最后机器执行的时候会变成数不胜数的指令,每个指令又建立在复杂的处理逻辑之上。那些从前随意写下的代码,现在会不会在脑海里不自觉的转换成
OPCODE 再品味一番呢?

15                     op_array = EG(active_op_array);

OPCODE

什么是 OPCODE?它是一种虚拟机能够识别并处理的指令。Zend
虚拟机包含了一系列的 OPCODE,通过 OPCODE 虚拟机能够做很多事情,列举几个
OPCODE 的例子:

  • ZEND_ADD 将两个操作数相加。
  • ZEND_NEW 创建一个 PHP 对象。
  • ZEND_ECHO 将内容输出到标准输出中。
  • ZEND_EXIT 退出 PHP。

诸如此类的操作,PHP 定义了186个(随着 PHP 的更新,肯定会支持更多种类的
OPCODE),所有的 OPCODE
的定义和实现都可以在源码的 zend/zend_vm_def.h 文件(这个文件的内容并不是原生的
C 代码,而是一个模板,后面会说明原因)中查阅到。

我们来看下 PHP 是如何设计 OPCODE 数据结构:

struct _zend_op {
    const void *handler;
    znode_op op1;
    znode_op op2;
    znode_op result;
    uint32_t extended_value;
    uint32_t lineno;
    zend_uchar opcode;
    zend_uchar op1_type;
    zend_uchar op2_type;
    zend_uchar result_type;
};

仔细观察 OPCODE 的数据结构,是不是能找到汇编语言的感觉。每一个 OPCODE
都包含两个操作数,op1和 op2handler 指针则指向了执行该 OPCODE
操作的函数,函数处理后的结果,会被保存在 result 中。

我们举一个简单的例子:

<?php
$b = 1;
$a = $b + 2;

我们通过 vld 扩展看到,经过编译的后,上面的代码生成了 ZEND_ADD 指令的
OPCODE。

compiled vars:  !0 = $b, !1 = $a
line     #* E I O op                           fetch          ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   2     0  E >   ASSIGN                                                   !0, 1
   3     1        ADD                                              ~3      !0, 2
         2        ASSIGN                                                   !1, ~3
   8     3      > RETURN                                                   1

其中,第二行是 ZEND_ADD 指令的
OPCODE。我们看到,它接收2个操作数,op1 是变量 $bop2 是数字常量1,返回的结果存入了临时变量中。在 zend/zend_vm_def.h 文件中,我们可以找到
ZEND_ADD 指令对应的函数实现:

ZEND_VM_HANDLER(1, ZEND_ADD, CONST|TMPVAR|CV, CONST|TMPVAR|CV)
{
    USE_OPLINE
    zend_free_op free_op1, free_op2;
    zval *op1, *op2, *result;

    op1 = GET_OP1_ZVAL_PTR_UNDEF(BP_VAR_R);
    op2 = GET_OP2_ZVAL_PTR_UNDEF(BP_VAR_R);
    if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_LONG)) {
        if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_LONG)) {
            result = EX_VAR(opline->result.var);
            fast_long_add_function(result, op1, op2);
            ZEND_VM_NEXT_OPCODE();
        } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_DOUBLE)) {
            result = EX_VAR(opline->result.var);
            ZVAL_DOUBLE(result, ((double)Z_LVAL_P(op1)) + Z_DVAL_P(op2));
            ZEND_VM_NEXT_OPCODE();
        }
    } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_DOUBLE)) {

    ...
}

上面的代码并不是原生的 C 代码,而是一种模板。

为什么这样做?因为 PHP 是弱类型语言,而其实现的 C
则是强类型语言。弱类型语言支持自动类型匹配,而自动类型匹配的实现方式,就像上述代码一样,通过判断来处理不同类型的参数。试想一下,如果每一个
OPCODE
处理的时候都需要判断传入的参数类型,那么性能势必成为极大的问题(一次请求需要处理的
OPCODE 可能能达到成千上万个)。

哪有什么办法吗?我们发现在编译的时候,已经能够确定每个操作数的类型(可能是常量还是变量)。所以,PHP
真正执行时的 C
代码,不同类型操作数将分成不同的函数,供虚拟机直接调用。这部分代码放在了 zend/zend_vm_execute.h 中,展开后的文件相当大,而且我们注意到还有这样的代码:

if (IS_CONST == IS_CV) {

完全没有什么意义是吧?不过没有关系,C
的编译器会自动优化这样判断。大多数情况,我们希望了解某个 OPCODE
处理的逻辑,还是通过阅读模板文件 zend/zend_vm_def.h 比较容易。顺便说一下,根据模板生成
C 代码的程序就是用 PHP 实现的。

13             _UNUSED_CODE, /* 9              */

澳门新葡亰娱乐在线,PHP 是一门解释型的语言。诸如 Java、Python、Ruby、Javascript
等解释型语言,我们编写的代码不会被编译成机器码运行,而是会被编译中间码运行在虚拟机(VM)上。运行
PHP 的虚拟机,称之为 Zend 虚拟机,今天我们将深入内核,探究 Zend
虚拟机运行的原理。

在销毁了文件所在的handler后,如果存在中间代码,则PHP虚拟机将通过以下代码执行中间代码:

逻辑跳转

我们知道指令都是顺序执行的,而我们的程序,一般都包含不少的逻辑判断和循环,这部分又是如何通过
OPCODE 实现的呢?

<?php
$a = 10;
if ($a == 10) {
    echo 'success';
} else {
    echo 'failure';
}

我们还是通过 vld 查看 OPCODE(不得不说 vld 扩展是分析 PHP 的神器)。

compiled vars:  !0 = $a
line     #* E I O op                           fetch          ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   2     0  E >   ASSIGN                                                   !0, 10
   3     1        IS_EQUAL                                         ~2      !0, 10
         2      > JMPZ                                                     ~2, ->5
   4     3    >   ECHO                                                     'success'
         4      > JMP                                                      ->6
   6     5    >   ECHO                                                     'failure'
   7     6    > > RETURN                                                   1

我们看到,JMPZ 和 JMP 控制了执行流程。JMP 的逻辑非常简单,将当前的
OPCODE 指针指向需要跳转的 OPCODE。

ZEND_VM_HANDLER(42, ZEND_JMP, JMP_ADDR, ANY)
{
    USE_OPLINE

    ZEND_VM_SET_OPCODE(OP_JMP_ADDR(opline, opline->op1));
    ZEND_VM_CONTINUE();
}

JMPZ 仅仅是多了一次判断,根据结果选择是否跳转,这里就不再重复列举了。而处理循环的方式与判断基本上是类似的。

<?php
$a = [1, 2, 3];
foreach ($a as $n) {
    echo $n;
}

compiled vars:  !0 = $a, !1 = $n
line     #* E I O op                           fetch          ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   2     0  E >   ASSIGN                                                   !0, <array>
   3     1      > FE_RESET_R                                       $3      !0, ->5
         2    > > FE_FETCH_R                                               $3, !1, ->5
   4     3    >   ECHO                                                     !1
         4      > JMP                                                      ->2
         5    >   FE_FREE                                                  $3
   5     6      > RETURN                                                   1

循环只需要 JMP 指令即可完成,通过 FE_FETCH_R 指令判断是否已经到达数组的结尾,如果到达则退出循环。

11             _UNUSED_CODE, /* 7              */

方法调用

如果我们调用一个自定义的函数,虚拟机会如何处理呢?

<?php
function foo() {
    echo 'test';
}

foo();

我们通过 vld 查看生成的 OPCODE。出现了两个 OPCODE
指令执行栈,是因为我们自定义了一个 PHP
函数。在第一个执行栈上,调用自定义函数会执行两个 OPCODE
指令:INIT_FCALL 和 DO_FCALL

compiled vars:  none
line     #* E I O op                           fetch          ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   2     0  E >   NOP
   6     1        INIT_FCALL                                               'foo'
         2        DO_FCALL                                      0
         3      > RETURN                                                   1

compiled vars:  none
line     #* E I O op                           fetch          ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   3     0  E >   ECHO                                                     'test'
   4     1      > RETURN                                                   null

其中,INIT_FCALL 准备了执行函数时所需要的上下文数据。DO_FCALL 负责执行函数。DO_FCALL 的处理函数根据不同的调用情况处理了大量逻辑,我摘取了其中执行用户定义的函数的逻辑部分:

ZEND_VM_HANDLER(60, ZEND_DO_FCALL, ANY, ANY, SPEC(RETVAL))
{
    USE_OPLINE
    zend_execute_data *call = EX(call);
    zend_function *fbc = call->func;
    zend_object *object;
    zval *ret;

    ...

    if (EXPECTED(fbc->type == ZEND_USER_FUNCTION)) {
        ret = NULL;
        if (RETURN_VALUE_USED(opline)) {
            ret = EX_VAR(opline->result.var);
            ZVAL_NULL(ret);
        }

        call->prev_execute_data = execute_data;
        i_init_func_execute_data(call, &fbc->op_array, ret);

        if (EXPECTED(zend_execute_ex == execute_ex)) {
            ZEND_VM_ENTER();
        } else {
            ZEND_ADD_CALL_FLAG(call, ZEND_CALL_TOP);
            zend_execute_ex(call);
        }
    }

    ...

    ZEND_VM_SET_OPCODE(opline + 1);
    ZEND_VM_CONTINUE();
}

可以看到,DO_FCALL 首先将调用函数前的上下文数据保存到 call->prev_execute_data,然后调用 i_init_func_execute_data 函数,将自定义函数对象中的 op_array(每个自定义函数会在编译的时候生成对应的数据,其数据结构中包含了函数的
OPCODE 数组) 赋值给新的执行上下文对象。

然后,调用 zend_execute_ex 函数,开始执行自定义的函数。zend_execute_ex 实际上就是前面提到的 execute_ex 函数(默认是这样,但扩展可能重写 zend_execute_ex 指针,这个
API 让 PHP
扩展开发者可以通过覆写函数达到扩展功能的目的,不是本篇的主题,不准备深入探讨),只是上下文数据被替换成当前函数所在的上下文数据。

我们可以这样理解,最外层的代码就是一个默认存在的函数(类似 C
语言中的 main()函数),和用户自定义的函数本质上是没有区别的。

14             _UNUSED_CODE, /* 10             */
26  
2 #define ZEND_VM_RETURN()     return 1
10             _UNUSED_CODE, /* 6              */
05             _CONST_CODE,  /* 1 = IS_CONST   */
6 }
5  
1 if (zend_execute == execute && !EG(exception)) {
27 ZEND_API void zend_vm_set_opcode_handler(zend_op* op)
24     }
12                     EG(in_execution) = original_in_execution;
17             _UNUSED_CODE, /* 13             */
5     }
19             _UNUSED_CODE, /* 15             */
2 CHECK_SYMBOL_TABLES()
24                 + zend_vm_decode[op->op2.op_type]];
04             _UNUSED_CODE, /* 0              */
13                     return;
1 function t($c) {

这是一个全局的函数指针,它的作用就是执行PHP代码文件解析完的转成的zend_op_array。
和zend_execute相同的还有一个zedn_execute_internal函数,它用来执行内部函数。
在PHP内核启动时(zend_startup)时,这个全局函数指针将会指向execute函数。
注意函数指针前面的修饰符ZEND_API,这是ZendAPI的一部分。
在zend_execute函数指针赋值时,还有PHP的中间代码编译函数zend_compile_file(文件形式)和zend_compile_string(字符串形式)。

6 #define ZEND_VM_CONTINUE()   return 0

这是一个简单的递归调用函数实现,它递归调用了两次,这个递归调用是如何进行的呢?
我们知道函数的调用所在的中间代码最终是调用zend_do_fcall_common_helper_SPEC(Zend/zend_vm_execute.h)。
在此函数中有如下一段:

06         }
14                 case 2:

这里的handler是一个函数指针,它指向执行该opcode时调用的处理函数。
此时我们需要看看handler函数指针是如何被设置的。
在前面我们有提到和execute一起设置的全局指针函数:zend_compile_string。
它的作用是编译字符串为中间代码。在Zend/zend_language_scanner.c文件中有compile_string函数的实现。
在此函数中,当解析完中间代码后,一般情况下,它会执行pass_two(Zend/zend_opcode.c)函数。
pass_two这个函数,从其命名上真有点看不出其意义是什么。
但是我们关注的是在函数内部,它遍历整个中间代码集合,
调用ZEND_VM_SET_OPCODE_HANDLER(opline);为每个中间代码设置处理函数。
ZEND_VM_SET_OPCODE_HANDLER是zend_vm_set_opcode_handler函数的接口宏,
zend_vm_set_opcode_handler函数定义在Zend/zend_vm_execute.h文件。
其代码如下:

29     op->handler = zend_vm_get_opcode_handler(zend_user_opcodes[op->opcode], op);
4 zend_execute_internal = NULL;
1 ZEND_API void (*zend_execute)(zend_op_array *op_array TSRMLS_DC);

前面介绍了四种查找opcode处理函数的方法,
而根据其本质实现查找也在其中,只是这种方法对于计算机来说比较容易识别,而对于自然人来说却不太友好。
比如一个简单的A +
B的加法运算,如果你想用这种方法查找其中间代码的实现位置的话,
首先你需要知道中间代码的代表的值,然后知道第一个表达式和第二个表达式结果的类型所代表的值,
然后计算得到一个数值的结果,然后从数组zend_opcode_handlers找这个位置,位置所在的函数就是中间代码的函数。
这对阅读代码的速度没有好处,但是在开始阅读代码的时候根据代码的逻辑走这样一个流程却是大有好处。

7 }

前面说到每个中间代码在执行完后都会将中间代码的指针指向下一条指令,并且返回0。
当返回0时,while
循环中的if语句都不满足条件,从而使得中间代码可以继续执行下去。
正是这个while(1)的循环使得PHP内核中的opcode可以从第一条执行到最后一条,
当然这中间也有一些函数的跳转或类方法的执行等。

3     if ($c > 2) {

回到正题。
handler所指向的方法基本都存在于Zend/zend_vm_execute.h文件文件。
知道了handler的由来,我们就知道每个opcode调用handler指针函数时最终调用的位置。

30 }
2 }
5     zend_execute(EG(active_op_array) TSRMLS_CC);
8 t(1);

在execute函数中,处理函数的执行是在一个while(1)循环作用范围中。如下:

21             }
28 {
09         if ((ret = EX(opline)->handler(execute_data TSRMLS_CC)) > 0) {
5 zend_throw_exception_hook = NULL;
4             return ;

前面提到zend_execute
API可能会被覆盖,这里就进行了简单的判断,如果扩展覆盖了opcode执行函数,
则进行特殊的逻辑处理。

1 EG(active_op_array) = zend_compile_file(file_handle, type TSRMLS_CC);

如果你是使用VS查看源码的话,将光标移到zend_execute并直接按F12,
你会发现zend_execute的定义跳转到了一个指针函数的声明(Zend/zend_execute_API.c)。

07             _UNUSED_CODE, /* 3              */
25 }

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