认识PHP 7虚拟机(1)

PHP : 一门解释型语言

PHP被称为脚本语言或解释型语言。为何？ PHP语言没有被直接编译为机器指令，而是编译为一种中间代码的形式，很显然它无法直接在CPU上执行。所以PHP的执行需要在进程级虚拟机上（见Virtual machine中的Process virtual machines，下文简称虚拟机）。

PHP语言，包括其他的解释型语言，其实是一个跨平台的被设计用来执行抽象指令的程序。PHP主要用于解决WEB开发相关的问题。

诸如Java, Python, C#, Ruby, Pascal, Lua, Perl, Javascript等编程语言所编写的程序，都需要在虚拟机上执行。虚拟机可以通过JIT编译技术将一部分虚拟机指令编译为机器指令以提高性能。鸟哥已经在进行PHP加入JIT支持的开发了。

使用解释型语言的优点：

代码编写简单，能够快速开发
自动的内存管理
抽象的数据类型，程序可移植性高

缺点：

无法直接地进行内存管理和使用进程资源
比编译为机器指令的语言速度慢：通常需要更多的CPU周期来完成相同的任务（JIT试图缩小差距，但永远不能完全消除）
抽象了太多东西，以至于当程序出问题时，许多程序员难以解释其根本原因
最后一条缺点是作者之所以写这篇文章的原因，作者觉得程序员应该去了解一些底层的东西。

作者希望能够通过这篇文章向读者讲明白PHP是如何运行的。本文所提到的关于PHP虚拟机的知识同样可以应用于其他解释型语言。通常，不同虚拟机实现上的最大不同点在于：是否使用JIT、并行的虚拟机指令（一般使用多线程实现，PHP没有使用这一技术）、内存管理/垃圾回收算法。

Zend虚拟机分为两大部分：

编译：将PHP代码转换为虚拟机指令（OPCode）
执行：执行生成的虚拟机指令

本文不会涉及到编译部分，主要关注Zend虚拟机的执行引擎。PHP7版本的执行引擎做了一部分重构，使得PHP代码的执行堆栈更加简单清晰，性能也得到了一些提升。

本文以PHP 7.0.7为示例。

OPCode

维基百科对于OPCode的解释：

Opcodes can also be found in so-called byte codes and other representations intended for a software interpreter rather than a hardware device. These software based instruction sets often employ slightly higher-level data types and operations than most hardware counterparts, but are nevertheless constructed along similar lines. OPCode与ByteCode在概念上是不同的。

我的个人理解：OPCode作为一条指令，表明要怎么做，而ByteCode由一序列的OPCode/数据组成，表明要做什么。以一个加法为例子，OPCode是告诉执行引擎将参数1和参数2相加，而ByteCode则告诉执行引擎将45和56相加。参考：Difference between Opcode and Bytecode和Difference between: Opcode, byte code, mnemonics, machine code and assembly

在PHP中，Zend/zend_vm_opcodes.h源码文件列出了所有支持的OPCode。通常，每个OPCode的名字都描述了其含义，比如：

ZEND_ADD：对两个操作数执行加法操作
ZEND_NEW：创建一个对象
ZEND_FETCH_DIM_R：读取操作数中某个维度的值，比如执行echo $foo[0]语句时，需要获取$foo数组索引为0的值

OPCode以zend_op结构体表示：

struct _zend_op {
    const void *handler; /* 执行该OPCode的C函数 */
    znode_op op1; /* 操作数1 */
    znode_op op2; /* 操作数2 */
    znode_op result; /* 结果 */
    uint32_t extended_value; /* 额外的信息 */
    uint32_t lineno; /* 该OPCode对应PHP源码所在的行 */
    zend_uchar opcode; /* OPCode对应的数值 */
    zend_uchar op1_type; /* 操作数1类型 */
    zend_uchar op2_type; /* 操作数2类型 */
    zend_uchar result_type; /* 结果类型 */
};

每一条OPcode都以相同的方式执行：OPCode有其对应的C函数，执行该C函数时，可能会用到0、1或2个操作数（op1，op2），最后将结果存储在result中，可能还会有一些额外的信息存储在extended_value。看下ZEND_ADD的OPCode长什么样子，在Zend/zend_vm_def.h源码文件中：

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

            SAVE_OPLINE();
            if (OP1_TYPE == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) {
                op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R);
            }
            if (OP2_TYPE == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) {
                op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R);
            }
            add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2);
            FREE_OP1();
            FREE_OP2();
            ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();
        }

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

            SAVE_OPLINE();
            if (OP1_TYPE == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) {
                op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R);
            }
            if (OP2_TYPE == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) {
                op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R);
            }
            add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2);
            FREE_OP1();
            FREE_OP2();
            ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();
        }

可以看出这其实不是一个合法的C代码，可以把它看成代码模板。稍微解读下这个代码模板：1 就是在Zend/zend_vm_opcodes.h中define定义的ZEND_ADD的值；ZEND_ADD接收两个操作数，如果两个操作数都为IS_LONG类型，那么就调用fast_long_add_function（该函数内部使用汇编实现加法操作）；如果两个操作数，都为IS_DOUBLE类型或者1个是IS_DOUBLE类型，另1个是IS_LONG类型，那么就直接执行double的加法操作；如果存在1个操作数不是IS_LONG或IS_DOUBLE类型，那么就调用add_function（比如两个数组做加法操作）；最后检查是否有异常接着执行下一条OPCode。

在Zend/zend_vm_def.h源码文件中的内容其实是OPCode的代码模板，在该源文件的开头处可以看到这样一段注释：

/* If you change this file, please regenerate the zend_vm_execute.h and

zend_vm_opcodes.h files by running:
php zend_vm_gen.php */

说明zend_vm_execute.h和zend_vm_opcodes.h，实际上包括zend_vm_opcodes.c中的C代码正是从Zend/zend_vm_def.h的代码模板生成的。

操作数类型

每个OPCode最多使用两个操作数：op1和op2。每个操作数代表着OPCode的“形参”。例如ZEND_ASSIGN OPCode将op2的值赋值给op1代表的PHP变量，而其result则没有使用到。

操作数的类型（与PHP变量的类型不同）决定了其含义以及使用方式：

IS_CV：Compiled Variable，说明该操作数是一个PHP变量
IS_TMP_VAR ：虚拟机使用的临时内部PHP变量，不能够在不同OPCode中复用（复用的这一点我并不清楚，还没去研究过）
IS_VAR：虚拟机使用的内部PHP变量，能够在不同OPCode中复用（复用的这一点我并不清楚，还没去研究过）
IS_CONST：代表一个常量值
IS_UNUSED：该操作数没有任何意义，忽略该操作数

操作数的类型对性能优化和内存管理很重要。当一个OPCode的Handler需要读写操作数时，会根据操作数的类型通过不同的方式读写。

以加法例子，说明操作数类型：

$a + $b;  // IS_CV + IS_CV
1 + $a;   // IS_CONST + IS_CV
$b + 3   // IS_VAR + IS_CONST
!$a + 3;  // IS_TMP_VAR + IS_CONST

OPCode Handler

我们已经知道每个OPCode Handler最多接收2个操作数，并且会根据操作数的类型读写操作数的值。如果在Handler中，通过switch判断类型，然后再读写操作数的值，那么对性能会有很大损耗，因为存在太多的分支判断了（Why is it good to avoid instruction branching where possible?），如下面的伪代码所示：

int ZEND_ADD(zend_op *op1, zend_op *op2)
{
    void *op1_value;
    void *op2_value;

    switch (op1->type) {
        case IS_CV:
            op1_value = read_op_as_a_cv(op1);
        break;
        case IS_VAR:
            op1_value = read_op_as_a_var(op1);
        break;
        case IS_CONST:
            op1_value = read_op_as_a_const(op1);
        break;
        case IS_TMP_VAR:
            op1_value = read_op_as_a_tmp(op1);
        break;
        case IS_UNUSED:
            op1_value = NULL;
        break;
    }
    /* ... same thing to do for op2 .../

    /* do something with op1_value and op2_value (perform a math addition ?) */
}

要知道OPCode Handler在PHP执行过程中是会被调用成千上万次的，所以在Handler中对op1、op2做类型判断，对性能并不好。

重新看下ZEND_ADD的代码模板：

ZEND_VM_HANDLER(1, ZEND_ADD, CONST|TMPVAR|CV, CONST|TMPVAR|CV)

这说明ZEND_ADD接收op1和op2为CONST或TMPVAR或CV类型的操作数。

前面已经提到zend_vm_execute.h和zend_vm_opcodes.h中的C代码是从Zend/zend_vm_def.h的代码模板生成的。通过查看zend_vm_execute.h，可以看到每个OPCode对应的Handler（C函数），大部分OPCode会对应多个Handler。以ZEND_ADD为例：

static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CONST_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CV_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_TMPVAR_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CV_CONST_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CV_CV_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CV_TMPVAR_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_TMPVAR_CONST_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_TMPVAR_CV_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_TMPVAR_TMPVAR_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)

ZENDADD的op1和op2的类型都有3种，所以一共生成了9个Handler，每个Handler的命名规范：ZEND{OPCODE-NAME}SPEC{OP1-TYPE}_{OP2-TYPE}_HANDLER()。在编译阶段，操作数的类型是已知的，也就确定了每个编译出来的OPCode对应的Handler了。

那么这些Handler之间有什么不同呢？最大的不同应该就是获取操作数的方式：

static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CONST_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
{
    USE_OPLINE

    zval *op1, *op2, *result;

    op1 = EX_CONSTANT(opline->op1);
    op2 = EX_CONSTANT(opline->op2);
    if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_LONG)) {
       /* 省略 */
    } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_DOUBLE)) {
        /* 省略 */
    }

    SAVE_OPLINE();
    if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) { //<-------- 这部分代码会被编译器优化掉
        op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R);
    }
    if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) { //<-------- 这部分代码会被编译器优化掉
        op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R);
    }
    add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2);

    ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();
}

static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CV_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
{
    USE_OPLINE

    zval *op1, *op2, *result;

    op1 = EX_CONSTANT(opline->op1);
    op2 = _get_zval_ptr_cv_undef(execute_data, opline->op2.var);    //<-------- op2的获取方式与上面的CONST不同
    if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_LONG)) {
        /* 省略 */
    } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_DOUBLE)) {
        /* 省略 */
    }

    SAVE_OPLINE();
    if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) { //<-------- 这部分代码会被编译器优化掉
        op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R);
    }
    if (IS_CV == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) { //<-------- IS_CV == IS_CV && 也会被编译器优化掉
        op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R);
    }
    add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2);

    ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();
}

那么这些Handler之间有什么不同呢？最大的不同应该就是获取操作数的方式：

static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CONST_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
{
    USE_OPLINE

    zval *op1, *op2, *result;

    op1 = EX_CONSTANT(opline->op1);
    op2 = EX_CONSTANT(opline->op2);
    if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_LONG)) {
       /* 省略 */
    } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_DOUBLE)) {
        /* 省略 */
    }

    SAVE_OPLINE();
    if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) { //<-------- 这部分代码会被编译器优化掉
        op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R);
    }
    if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) { //<-------- 这部分代码会被编译器优化掉
        op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R);
    }
    add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2);

    ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();
}

static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ADD_SPEC_CONST_CV_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
{
    USE_OPLINE

    zval *op1, *op2, *result;

    op1 = EX_CONSTANT(opline->op1);
    op2 = _get_zval_ptr_cv_undef(execute_data, opline->op2.var);    //<-------- op2的获取方式与上面的CONST不同
    if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_LONG)) {
        /* 省略 */
    } else if (EXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_DOUBLE)) {
        /* 省略 */
    }

    SAVE_OPLINE();
    if (IS_CONST == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op1) == IS_UNDEF)) { //<-------- 这部分代码会被编译器优化掉
        op1 = GET_OP1_UNDEF_CV(op1, BP_VAR_R);
    }
    if (IS_CV == IS_CV && UNEXPECTED(Z_TYPE_INFO_P(op2) == IS_UNDEF)) { //<-------- IS_CV == IS_CV && 也会被编译器优化掉
        op2 = GET_OP2_UNDEF_CV(op2, BP_VAR_R);
    }
    add_function(EX_VAR(opline->result.var), op1, op2);

    ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();
}

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