PHP内核学习教程之php opcode内核实现

2024-03-22 12:34:03 22

opcode是计算机指令中的一部分，用于指定要执行的操作，指令的格式和规范由处理器的指令规范指定。除了指令本身以外通常还有指令所需要的操作数，可能有的指令不需要显式的操作数。这些操作数可能是寄存器中的值，堆栈中的值，某块内存的值或者IO端口中的值等等。

通常opcode还有另一种称谓：字节码(bytecodes)。例如Java虚拟机(JVM)，.NET的通用中间语言(CIL:CommonIntermeditateLanguage)等等。

1.Opcode简介

opcode是计算机指令中的一部分，用于指定要执行的操作，指令的格式和规范由处理器的指令规范指定。除了指令本身以外通常还有指令所需要的操作数，可能有的指令不需要显式的操作数。这些操作数可能是寄存器中的值，堆栈中的值，某块内存的值或者IO端口中的值等等

通常opcode还有另一种称谓:字节码(bytecodes)。例如Java虚拟机(JVM)，.NET的通用中间语言(CIL:CommonIntermeditateLanguage)等等

PHP中的opcode则属于前面介绍中的后着，PHP是构建在Zend虚拟机(ZendVM)之上的。PHP的opcode就是Zend虚拟机中的指令(基于Zend的中间代码)

RelevantLink:

http://www.luocong.com/learningopcode/doc/1._%E4%BB%80%E4%B9%88%E6%98%AFOpCode%EF%BC%9F.htm

2.PHP中的Opcode

0x1:数据结构

在PHP实现内部，opcode由如下的结构体表示

\php-5.6.17\Zend\zend_compile.h

struct_zend_op
{
opcode_handler_thandler;//执行该opcode时调用的处理函数
znode_opop1;//opcode所操作的操作数
znode_opop2;//opcode所操作的操作数
znode_opresult;
ulongextended_value;
uintlineno;
zend_ucharopcode;//opcode代码
zend_ucharop1_type;
zend_ucharop2_type;
zend_ucharresult_type;
};

和CPU的指令类似，有一个标示指令的opcode字段，以及这个opcode所操作的操作数，PHP不像汇编那么底层，在脚本实际执行的时候可能还需要其他更多的信息，extended_value字段就保存了这类信息，其中的result域则是保存该指令执行完成后的结果

例如如下代码是在编译器遇到print语句的时候进行编译的函数

\php-5.6.17\Zend\zend_compile.c

voidzend_do_print(znode*result,constznode*argTSRMLS_DC)/*{{{*/
{
//新创建一条zend_op
zend_op*opline=get_next_op(CG(active_op_array)TSRMLS_CC);

//将新建的zend_op的返回值类型设置为临时变量(IS_TMP_VAR)，因为print中的内存仅仅为了临时输出，并不需要保存
opline->result_type=IS_TMP_VAR;
//为临时变量申请空间
opline->result.var=get_temporary_variable(CG(active_op_array));
//指定opcode为ZEND_PRINT
opline->opcode=ZEND_PRINT;
//将传递进来的参数赋值给这条opcode的第一个操作数
SET_NODE(opline->op1,arg);
SET_UNUSED(opline->op2);
GET_NODE(result,opline->result);
}

0x2:opcode类型:zend_op->zend_ucharopcode

比对汇编语言的概念，每个opcode都对应于一个类型，表明该opcpde的"操作指令"，opcode的类型为zend_uchar，zend_uchar实际上就是unsignedchar，此字段保存的整形值即为op的编号，用来区分不同的op类型，opcode的可取值都被定义成了宏

/Zend/zend_vm_opcodes.h

#defineZEND_NOP0
#defineZEND_ADD1
#defineZEND_SUB2
#defineZEND_MUL3
#defineZEND_DIV4
#defineZEND_MOD5
#defineZEND_SL6
#defineZEND_SR7
#defineZEND_CONCAT8
#defineZEND_BW_OR9
#defineZEND_BW_AND10
#defineZEND_BW_XOR11
#defineZEND_BW_NOT12
#defineZEND_BOOL_NOT13
#defineZEND_BOOL_XOR14
#defineZEND_IS_IDENTICAL15
#defineZEND_IS_NOT_IDENTICAL16
#defineZEND_IS_EQUAL17
#defineZEND_IS_NOT_EQUAL18
#defineZEND_IS_SMALLER19
#defineZEND_IS_SMALLER_OR_EQUAL20
#defineZEND_CAST21
#defineZEND_QM_ASSIGN22
#defineZEND_ASSIGN_ADD23
#defineZEND_ASSIGN_SUB24
#defineZEND_ASSIGN_MUL25
#defineZEND_ASSIGN_DIV26
#defineZEND_ASSIGN_MOD27
#defineZEND_ASSIGN_SL28
#defineZEND_ASSIGN_SR29
#defineZEND_ASSIGN_CONCAT30
#defineZEND_ASSIGN_BW_OR31
#defineZEND_ASSIGN_BW_AND32
#defineZEND_ASSIGN_BW_XOR33
#defineZEND_PRE_INC34
#defineZEND_PRE_DEC35
#defineZEND_POST_INC36
#defineZEND_POST_DEC37
#defineZEND_ASSIGN38
#defineZEND_ASSIGN_REF39
#defineZEND_ECHO40
#defineZEND_PRINT41
#defineZEND_JMP42
#defineZEND_JMPZ43
#defineZEND_JMPNZ44
#defineZEND_JMPZNZ45
#defineZEND_JMPZ_EX46
#defineZEND_JMPNZ_EX47
#defineZEND_CASE48
#defineZEND_SWITCH_FREE49
#defineZEND_BRK50
#defineZEND_CONT51
#defineZEND_BOOL52
#defineZEND_INIT_STRING53
#defineZEND_ADD_CHAR54
#defineZEND_ADD_STRING55
#defineZEND_ADD_VAR56
#defineZEND_BEGIN_SILENCE57
#defineZEND_END_SILENCE58
#defineZEND_INIT_FCALL_BY_NAME59
#defineZEND_DO_FCALL60
#defineZEND_DO_FCALL_BY_NAME61
#defineZEND_RETURN62
#defineZEND_RECV63
#defineZEND_RECV_INIT64
#defineZEND_SEND_VAL65
#defineZEND_SEND_VAR66
#defineZEND_SEND_REF67
#defineZEND_NEW68
#defineZEND_INIT_NS_FCALL_BY_NAME69
#defineZEND_FREE70
#defineZEND_INIT_ARRAY71
#defineZEND_ADD_ARRAY_ELEMENT72
#defineZEND_INCLUDE_OR_EVAL73
#defineZEND_UNSET_VAR74
#defineZEND_UNSET_DIM75
#defineZEND_UNSET_OBJ76
#defineZEND_FE_RESET77
#defineZEND_FE_FETCH78
#defineZEND_EXIT79
#defineZEND_FETCH_R80
#defineZEND_FETCH_DIM_R81
#defineZEND_FETCH_OBJ_R82
#defineZEND_FETCH_W83
#defineZEND_FETCH_DIM_W84
#defineZEND_FETCH_OBJ_W85
#defineZEND_FETCH_RW86
#defineZEND_FETCH_DIM_RW87
#defineZEND_FETCH_OBJ_RW88
#defineZEND_FETCH_IS89
#defineZEND_FETCH_DIM_IS90
#defineZEND_FETCH_OBJ_IS91
#defineZEND_FETCH_FUNC_ARG92
#defineZEND_FETCH_DIM_FUNC_ARG93
#defineZEND_FETCH_OBJ_FUNC_ARG94
#defineZEND_FETCH_UNSET95
#defineZEND_FETCH_DIM_UNSET96
#defineZEND_FETCH_OBJ_UNSET97
#defineZEND_FETCH_DIM_TMP_VAR98
#defineZEND_FETCH_CONSTANT99
#defineZEND_GOTO100
#defineZEND_EXT_STMT101
#defineZEND_EXT_FCALL_BEGIN102
#defineZEND_EXT_FCALL_END103
#defineZEND_EXT_NOP104
#defineZEND_TICKS105
#defineZEND_SEND_VAR_NO_REF106
#defineZEND_CATCH107
#defineZEND_THROW108
#defineZEND_FETCH_CLASS109
#defineZEND_CLONE110
#defineZEND_RETURN_BY_REF111
#defineZEND_INIT_METHOD_CALL112
#defineZEND_INIT_STATIC_METHOD_CALL113
#defineZEND_ISSET_ISEMPTY_VAR114
#defineZEND_ISSET_ISEMPTY_DIM_OBJ115
#defineZEND_PRE_INC_OBJ132
#defineZEND_PRE_DEC_OBJ133
#defineZEND_POST_INC_OBJ134
#defineZEND_POST_DEC_OBJ135
#defineZEND_ASSIGN_OBJ136
#defineZEND_INSTANCEOF138
#defineZEND_DECLARE_CLASS139
#defineZEND_DECLARE_INHERITED_CLASS140
#defineZEND_DECLARE_FUNCTION141
#defineZEND_RAISE_ABSTRACT_ERROR142
#defineZEND_DECLARE_CONST143
#defineZEND_ADD_INTERFACE144
#defineZEND_DECLARE_INHERITED_CLASS_DELAYED145
#defineZEND_VERIFY_ABSTRACT_CLASS146
#defineZEND_ASSIGN_DIM147
#defineZEND_ISSET_ISEMPTY_PROP_OBJ148
#defineZEND_HANDLE_EXCEPTION149
#defineZEND_USER_OPCODE150
#defineZEND_JMP_SET152
#defineZEND_DECLARE_LAMBDA_FUNCTION153
#defineZEND_ADD_TRAIT154
#defineZEND_BIND_TRAITS155
#defineZEND_SEPARATE156
#defineZEND_QM_ASSIGN_VAR157
#defineZEND_JMP_SET_VAR158
#defineZEND_DISCARD_EXCEPTION159
#defineZEND_YIELD160
#defineZEND_GENERATOR_RETURN161
#defineZEND_FAST_CALL162
#defineZEND_FAST_RET163
#defineZEND_RECV_VARIADIC164
#defineZEND_SEND_UNPACK165
#defineZEND_POW166
#defineZEND_ASSIGN_POW167

0x3:opcode执行句柄:zend_op->handler

op的执行句柄，其类型为opcode_handler_t

typedefint(ZEND_FASTCALL*opcode_handler_t)(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS);
这个函数指针为op定义了执行方式，每一种opcode字段都对应一个种类的handler，比如如果$a=1;这样的代码生成的op，操作数为const和cv，最后就能确定handler为函数ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_HANDLER

/Zend/zend_vm_execute.h

voidzend_init_opcodes_handlers(void)
{
staticconstopcode_handler_tlabels[]={
..
ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_HANDLER,
..
}
}

0x4:opcpde操作数znode

操作数字段是_zend_op类型中比较重要的部分了，其中op1,op2,result三个操作数定义为znode类型

\php-5.6.17\Zend\zend_compile.h

typedefstruct_znode{/*usedonlyduringcompilation*/
/*
这个int类型的字段定义znode操作数的类型
#defineIS_CONST(1<<0)//表示常量，例如$a=123;$b="hello";这些代码生成OP后，123和"hello"都是以常量类型操作数存在
#defineIS_TMP_VAR(1<<1)//表示临时变量，临时变量一般在前面加~来表示，这是一些OP执行过程中需要用到的中间变量，例如初始化一个数组的时候，就需要一个临时变量来暂时存储数组zval，然后将数组赋值给变量
#defineIS_VAR(1<<2)//一般意义上的变量，以$开发表示
#defineIS_UNUSED(1<<3)//Unusedvariable
#defineIS_CV(1<<4)//Compiledvariable，这种类型的操作数比较重要，此类型是在PHP后来的版本中(大概5.1)中才出现，CV的意思是compiledvariable，即编译后的变量，变量都是保存在一个符号表中，这个符号表是一个哈希表，如果每次读写变量的时候都需要到哈希表中去检索，会对效率有一定的影响，因此在执行上下文环境中，会将一些编译期间生成的变量缓存起来。此类型操作数一般以!开头表示，比如变量$a=123;$b="hello"这段代码，$a和$b对应的操作数可能就是!0和!1,0和1相当于一个索引号，通过索引号从缓存中取得相应的值
*/
intop_type;
/*
此字段为一个联合体，根据op_type的不同，u取不同的值
1.op_type=IS_CONST的时候，u中的constant保存的就是操作数对应的zval结构
2.例如$a=123时，123这个操作数中，u中的constant是一个IS_LONG类型的zval,其值lval为123
*/
union{
znode_opop;
zvalconstant;/*replacedbyliteral/zv*/
zend_op_array*op_array;
zend_ast*ast;
}u;
zend_uintEA;/*extendedattributes*/
}znode;

0x5:opcode编译后数组op_array

在zend_do_print函数中的第一行，我们注意到下面这行代码

zend_op*opline=get_next_op(CG(active_op_array)TSRMLS_CC);

PHP脚本代码被编译后产生的opcode保存在op_array中，其内部存储的结构如下

\php-5.6.17\Zend\zend_compile.h

struct_zend_op_array
{
/*Commonelements*/
zend_uchartype;
constchar*function_name;//如果是用户定义的函数则，这里将保存函数的名字
zend_class_entry*scope;
zend_uintfn_flags;
union_zend_function*prototype;
zend_uintnum_args;
zend_uintrequired_num_args;
zend_arg_info*arg_info;
/*ENDofcommonelements*/
zend_uint*refcount;
zend_op*opcodes;//opcode数组
zend_uintlast;
zend_compiled_variable*vars;
intlast_var;
zend_uintT;
zend_uintnested_calls;
zend_uintused_stack;
zend_brk_cont_element*brk_cont_array;
intlast_brk_cont;
zend_try_catch_element*try_catch_array;
intlast_try_catch;
zend_boolhas_finally_block;
/*staticvariablessupport*/
HashTable*static_variables;
zend_uintthis_var;
constchar*filename;
zend_uintline_start;
zend_uintline_end;
constchar*doc_comment;
zend_uintdoc_comment_len;
zend_uintearly_binding;/*thelinkedlistofdelayeddeclarations*/
zend_literal*literals;
intlast_literal;
void**run_time_cache;
intlast_cache_slot;
void*reserved[ZEND_MAX_RESERVED_RESOURCES];
};

整个PHP脚本代码被编译后的opcodes保存在这里，在执行的时候由下面的execute函数执行

ZEND_APIvoidexecute(zend_op_array*op_arrayTSRMLS_DC)
{
//...循环执行op_array中的opcode或者执行其他op_array中的opcode
}

每条opcode都有一个opcode_handler_t的函数指针字段，用于执行该opcode，PHP有三种方式来进行opcode的处理

1.CALL:PHP默认使用CALL的方式，也就是函数调用的方式
2.SWITCH:由于opcode执行是每个PHP程序频繁需要进行的操作，可以使用SWITCH或者GOTO的方式来分发
3.GOTO:通常GOTO的效率相对会高一些，不过效率是否提高依赖于不同的CPU
实际上我们会发现，在/zend/zend_language_parser.c中就是Zend的opcode翻译解释执行过程，其中包含了call、switch、goto三种opcode执行方式

这就是PHP为什么称之为解释型语言的内核原理，PHP在完成Lex词法解析后，在语法解析即生成产生式的时候，直接通过call、switch、goto的方式调用zendapi进行即使解释执行

RelevantLink:

http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/1325
http://php.net/manual/zh/internals2.opcodes.list.php
http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/1543
http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/1324
http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/1543
http://www.laruence.com/2008/06/18/221.html
http://www.php-internals.com/book/?p=chapt02/02-03-02-opcode

3.opcode翻译执行(即时解释执行)

RelevantLink:

http://www.php-internals.com/book/?p=chapt02/02-03-03-from-opcode-to-handler

以上所述本文给大家介绍的PHP内核学习教程之phpopcode内核实现的相关知识，希望对大家有所帮助。

PHP内核学习教程之php opcode内核实现

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