让您彻底了解PHP虚拟机的一篇详解文章

　　PHP虚拟机是专用执行PHP代码的，PHP代码如何能转换为PHP虚拟机可以识别的指令呢——编译；PHP虚拟机同时提供了编译器，可以将PHP代码转换为其可以识别的指令集合；
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　　1.从物理机说起
　　虚拟机也是计算机，设计思想和物理机有很多相似之处；
　　1.1冯诺依曼体系结构
　　冯·诺依曼是当之无愧的数字计算机之父，当前计算机都采用的是冯诺依曼体系结构；设计思想主要包含以下几个方面：
　　指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中，它们都是内存中的数据。现代CPU的保护模式，每个内存段都有段描述符，这个描述符记录着这个内存段的访问权限(可读,可写,可执行)。这就变相的指定了哪些内存中存储的是指令哪些是数据）；https://www.hfxskyyj.com/
　　存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的；
　　数据以二进制表示；
　　指令由操作码和操作数组成。操作码指明本指令的操作类型,操作数指明操作数本身或者操作数的地址。操作数本身并无数据类型，它的数据类型由操作码确定；任何架构的计算机都会对外提供指令集合；
　　运算器通过执行指令直接发出控制信号控制计算机各项操作。由指令计数器指明待执行指令所在的内存地址。指令计数器只有一个，一般按顺序递增，但执行顺序可能因为运算结果或当时的外界条件而改变；
　　2631839729-5b6a6ac8d5766_articlex.png
　　1.2汇编语言简介
　　任何架构的计算机都会提供一组指令集合；
　　指令由操作码和操作数组成；操作码即操作类型，操作数可以是一个立即数或者一个存储地址；每条指令可以有0、1或2个操作数；
　　指令就是一串二进制；汇编语言是二进制指令的文本形式；
　　push%ebx
　　mov%eax,[%esp+8]
　　mov%ebx,[%esp+12]
　　add%eax,%ebx
　　pop%ebx
　　push、mov、add、pop等就是操作码；
　　%ebx寄存器；[%esp+12]内存地址；
　　操作数只是一块可存取数据的存储区；操作数本身并无数据类型，它的数据类型由操作码确定；
　　如movb传送字节，movw传送字，movl传送双字等
　　1.3函数调用栈
　　过程（函数）是对代码的封装，对外暴露的只是一组指定的参数和一个可选的返回值；可以在程序中不同的地方调用这个函数；假设过程P调用过程Q，Q执行后返回过程P；为了实现这一功能，需要考虑三点：
　　指令跳转：进入过程Q的时候，程序计数器必须被设置为Q的代码的起始地址；在返回时，程序计数器需要设置为P中调用Q后面那条指令的地址；
　　数据传递：P能够向Q提供一个或多个参数，Q能够向P返回一个值；
　　内存分配与释放：Q开始执行时，可能需要为局部变量分配内存空间，而在返回前，又需要释放这些内存空间；
　　大多数的语言过程调用都采用了栈数据结构提供的内存管理机制；如下图所示：
　　6391936-5b6a6e2478332_articlex.png
　　函数的调用与返回即对应的是一系列的入栈与出栈操作；
　　函数在执行时，会有自己私有的栈帧，局部变量就是分配在函数私有栈帧上的；
　　平时遇到的栈溢出就是因为调用函数层级过深，不断入栈导致的；
　　2.PHP虚拟机
　　虚拟机也是计算机，参考物理机的设计，设计虚拟机时，首先应该考虑三个要素：指令，数据存储，函数栈帧；
　　下面从这三点详细分析PHP虚拟机的设计思路；
　　2.1指
　　2.1.1指令类型
　　任何架构的计算机都需要对外提供一组指令集，其代表计算机支持的一组操作类型；
　　PHP虚拟机对外提供186种指令，定义在zend_vm_opcodes.h文件中；
　　//加、减、乘、除等
　　#define ZEND_ADD 1
　　#define ZEND_SUB 2
　　#define ZEND_MUL 3
　　#define ZEND_p 4
　　#define ZEND_MOD 5
　　#define ZEND_SL 6
　　#define ZEND_SR 7
　　#define ZEND_CONCAT 8
　　#define ZEND_BW_OR 9
　　#define ZEND_BW_AND 10
　　……………………
　　2.1.2指令
　　2.1.2.1指令的表示
　　指令由操作码和操作数组成；操作码指明本指令的操作类型，操作数指明操作数本身或者操作数的地址；
　　PHP虚拟机定义指令格式为：操作码操作数1操作数2返回值；其使用结构体_zend_op表示一条指令：
　　struct _zend_op{
　　const void*handler;//指针，指向当前指令的执行函数
　　znode_op op1;//操作数1
　　znode_op op2;//操作数2
　　znode_op result;//返回值
　　uint32_t extended_value;//扩展
　　uint32_t lineno;//行号
　　zend_uchar opcode;//指令类型
　　zend_uchar op1_type;//操作数1的类型（此类型并不代表字符串、数组等数据类型；其表示此操作数是常量，临时变量，编译变量等）
　　zend_uchar op2_type;//操作数2的类型
　　zend_uchar result_type;//返回值的类型
　　};
　　2.1.2.2操作数的表示
　　从上面可以看到，操作数使用结构体znode_op表示，定义如下：
　　constant、var、num等都是uint32_t类型的，这怎么表示一个操作数呢？（既不是指针不能代表地址，也无法表示所有数据类型）；
　　其实，操作数大多情况采用的相对地址表示方式，constant等表示的是相对于执行栈帧首地址的偏移量；
　　另外，_znode_op结构体中有个zval*zv字段，其也可以表示一个操作数，这个字段是一个指针，指向的是zval结构体，PHP虚拟机支持的所有数据类型都使用zval结构体表示；
　　typedef union _znode_op{
　　uint32_t constant;
　　uint32_t var;
　　uint32_t num;
　　uint32_t opline_num;
　　#if ZEND_USE_ABS_JMP_ADDR
　　zend_op*jmp_addr;
　　#else
　　uint32_t jmp_offset;
　　#endif
　　#if ZEND_USE_ABS_CONST_ADDR
　　zval*zv;
　　#endif
　　}znode_op;
　　2.2数据存储
　　PHP虚拟机支持多种数据类型：整型、浮点型、字符串、数组，对象等；PHP虚拟机如何存储和表示多种数据类型？
　　2.1.2.2节指出结构体_znode_op代表一个操作数；操作数可以是一个偏移量（计算得到一个地址，即zval结构体的首地址），或者一个zval指针；PHP虚拟机使用zval结构体表示和存储多种数据；
　　struct _zval_struct{
　　zend_value value;//存储实际的value值
　　union{
　　struct{//一些标志位
　　ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
　　zend_uchar type,//重要；表示变量类型
　　zend_uchar type_flags,
　　zend_uchar const_flags,
　　zend_uchar reserved)/*call info for EX(This)*/
　　}v;
　　uint32_t type_info;
　　}u1;
　　union{//其他有用信息
　　uint32_t next;/*hash collision chain*/
　　uint32_t cache_slot;/*literal cache slot*/
　　uint32_t lineno;/*line number(for ast nodes)*/
　　uint32_t num_args;/*arguments number for EX(This)*/
　　uint32_t fe_pos;/*foreach position*/
　　uint32_t fe_iter_idx;/*foreach iterator index*/
　　uint32_t access_flags;/*class constant access flags*/
　　uint32_t property_guard;/*single property guard*/
　　}u2;
　　};
　　zval.u1.type表示数据类型，zend_types.h文件定义了以下类型：
　　#define IS_UNDEF 0
　　#define IS_NULL 1
　　#define IS_FALSE 2
　　#define IS_TRUE 3
　　#define IS_LONG 4
　　#define IS_DOUBLE 5
　　#define IS_STRING 6
　　#define IS_ARRAY 7
　　#define IS_OBJECT 8
　　#define IS_RESOURCE 9
　　#define IS_REFERENCE 10
　　…………
　　zend_value存储具体的数据内容，结构体定义如下：
　　_zend_value占16字节内存；long、double类型会直接存储在结构体；引用、字符串、数组等类型使用指针存储；
　　代码中根据zval.u1.type字段，判断数据类型，以此决定操作_zend_value结构体哪个字段；
　　可以看出，字符串使用zend_string表示，数组使用zend_array表示…
　　typedef union _zend_value{
　　zend_long lval;
　　double dval;
　　zend_refcounted*counted;
　　zend_string*str;
　　zend_array*arr;
　　zend_object*obj;
　　zend_resource*res;
　　zend_reference*ref;
　　zend_ast_ref*ast;
　　zval*zv;
　　void*ptr;
　　zend_class_entry*ce;
　　zend_function*func;
　　struct{
　　uint32_t w1;
　　uint32_t w2;
　　}ww;
　　}zend_value;
　　如下图为PHP7中字符串结构图：
　　2081089099-5b6a6ef88f01a_articlex.png
　　2.3再谈指令
　　2.1.2.1指出，指令使用结构体_zend_op表示；其中最主要2个属性：操作函数，操作数（两个操作数和一个返回值）；
　　操作数的类型（常量、临时变量等）不同，同一个指令对应的handler函数也会不同；操作数类型定义在Zend/zend_compile.h文件：
　　//常量
　　#define IS_CONST(1<<0)
　　//临时变量，用于操作的中间结果；不能被其他指令对应的handler重复使用
　　#define IS_TMP_VAR(1<<1)
　　//这个变量并不是PHP代码中声明的变量，常见的是返回的临时变量，比如$a=time()，函数time返回值的类型就是IS_VAR，这种类型的变量是可以被其他指令对应的handler重复使用的
　　#define IS_VAR(1<<2)
　　#define IS_UNUSED(1<<3)/*Unused variable*/
　　//编译变量；即PHP中声明的变量；
　　#define IS_CV(1<<4)/*Compiled variable*/
　　操作函数命名规则为：ZEND_[opcode]_SPEC_(操作数1类型)_(操作数2类型)_(返回值类型)_HANDLER
　　比如赋值语句就有以下多种操作函数：
　　ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_CONST_RETVAL_UNUSED_HANDLER,
　　ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_TMP_RETVAL_UNUSED_HANDLER,
　　ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_VAR_RETVAL_UNUSED_HANDLER,
　　ZEND_ASSIGN_SPEC_VAR_CV_RETVAL_UNUSED_HANDLER,
　　…
　　对于$a=1，其操作函数为：ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_RETVAL_UNUSED_HANDLER；函数实现为：
　　static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_RETVAL_UNUSED_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
　　{
　　USE_OPLINE
　　zval*value;
　　zval*variable_ptr;
　　SAVE_OPLINE();
　　//获取op2对应的值，也就是1
　　value=EX_CONSTANT(opline->op2);
　　//在execute_data中获取op1的位置，也就是$a（execute_data类似函数栈帧，后面详细分析）
　　variable_ptr=_get_zval_ptr_cv_undef_BP_VAR_W(execute_data,opline->op1.var);
　　//赋值
　　value=zend_assign_to_variable(variable_ptr,value,IS_CONST);
　　if(UNEXPECTED(0)){
　　ZVAL_COPY(EX_VAR(opline->result.var),value);
　　}
　　ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION();
　　}
　　2.4函数栈帧
　　2.4.1指令集
　　上面分析了指令的结构与表示，PHP虚拟机使用_zend_op_array表示指令的集合：
　　struct _zend_op_array{
　　…………
　　//last表示指令总数；opcodes为存储指令的数组；
　　uint32_t last;
　　zend_op*opcodes;
　　//变量类型为IS_CV的个数
　　int last_var;
　　//变量类型为IS_VAR和IS_TEMP_VAR的个数
　　uint32_t T;
　　//存放IS_CV类型变量的数组
　　zend_string**vars;
　　…………
　　//静态变量
　　HashTable*static_variables;
　　//常量个数；常量数组
　　int last_literal;
　　zval*literals;
　　…
　　};
　　注意：last_var代表IS_CV类型变量的个数，这种类型变量存放在vars数组中；在整个编译过程中，每次遇到一个IS_CV类型的变量（类似于$something），就会去遍历vars数组，检查是否已经存在，如果不存在，则插入到vars中，并将last_var的值设置为该变量的操作数；如果存在，则使用之前分配的操作数
　　2.4.2函数栈帧
　　PHP虚拟机实现了与1.3节物理机类似的函数栈帧结构；
　　使用_zend_vm_stack表示栈结构；多个栈之间使用prev字段形成单向链表；top和end指向栈低和栈顶，分别为zval类型的指针；
　　struct _zend_vm_stack{
　　zval*top;
　　zval*end;
　　zend_vm_stack prev;
　　};
　　考虑如何设计函数执行时候的帧结构：当前函数执行时，需要存储函数编译后的指令，需要存储函数内部的局部变量等（2.1.2.2节指出，操作数使用结构体znode_op表示，其内部使用uint32_t表示操作数，此时表示的就是当前zval变量相对于当前函数栈帧首地址的偏移量）；
　　PHP虚拟机使用结构体_zend_execute_data存储当前函数执行所需数据；
　　struct _zend_execute_data{
　　//当前指令指令
　　const zend_op*opline;
　　//当前函数执行栈帧
　　zend_execute_data*call;
　　//函数返回数据
　　zval*return_value;
　　zend_function*func;
　　zval This;/*this+call_info+num_args*/
　　//调用当前函数的栈帧
　　zend_execute_data*prev_execute_data;
　　//符号表
　　zend_array*symbol_table;
　　#if ZEND_EX_USE_RUN_TIME_CACHE
　　void**run_time_cache;
　　#endif
　　#if ZEND_EX_USE_LITERALS
　　//常量数组
　　zval*literals;
　　#endif
　　};
　　函数开始执行时，需要为函数分配相应的函数栈帧并入栈，代码如下：
　　static zend_always_inline zend_execute_data*zend_vm_stack_push_call_frame(uint32_t call_info,zend_function*func,uint32_t num_args,zend_class_entry*called_scope,zend_object*object)
　　{
　　//计算当前函数栈帧需要内存空间大小
　　uint32_t used_stack=zend_vm_calc_used_stack(num_args,func);
　　//根据栈帧大小分配空间，入栈
　　return zend_vm_stack_push_call_frame_ex(used_stack,call_info,
　　func,num_args,called_scope,object);
　　}
　　//计算函数栈帧大小
　　static zend_always_inline uint32_t zend_vm_calc_used_stack(uint32_t num_args,zend_function*func)
　　{
　　//_zend_execute_data大小（80字节/16字节=5）+参数数目
　　uint32_t used_stack=ZEND_CALL_FRAME_SLOT+num_args;
　　if(EXPECTED(ZEND_USER_CODE(func->type))){
　　//当前函数临时变量等数目
　　used_stack+=func->op_array.last_var+func->op_array.T-MIN(func->op_array.num_args,num_args);
　　}
　　//乘以16字节
　　return used_stack*sizeof(zval);
　　}
　　//入栈
　　static zend_always_inline zend_execute_data*zend_vm_stack_push_call_frame_ex(uint32_t used_stack,uint32_t call_info,zend_function*func,uint32_t num_args,zend_class_entry*called_scope,zend_object*object)
　　{
　　//上一个函数栈帧地址
　　zend_execute_data*call=(zend_execute_data*)EG(vm_stack_top);
　　//移动函数调用栈top指针
　　EG(vm_stack_top)=(zval*)((char*)call+used_stack);
　　//初始化当前函数栈帧
　　zend_vm_init_call_frame(call,call_info,func,num_args,called_scope,object);
　　//返回当前函数栈帧首地址
　　return call;
　　}
　　从上面分析可以得到函数栈帧结构图如下所示：
　　1497251327-5b6a6fb3222d7_articlex.png
　　总结
　　PHP虚拟机也是计算机，有三点是我们需要重点关注的：指令集（包含指令处理函数）、数据存储（zval）、函数栈帧；
　　此时虚拟机已可以接受指令并执行指令代码；
　　但是，PHP虚拟机是专用执行PHP代码的，PHP代码如何能转换为PHP虚拟机可以识别的指令呢——编译；
　　PHP虚拟机同时提供了编译器，可以将PHP代码转换为其可以识别的指令集合；
　　理论上你可以自定义任何语言，只要实现编译器，能够将你自己的语言转换为PHP可以识别的指令代码，就能被PHP虚拟机执行；