PHP内核学习教程之php opcode内核实现

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(byte codes)。 例如Java虚拟机(JVM)，.NET的通用中间语言(CIL: Common Intermeditate Language)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(byte codes)。 例如Java虚拟机(JVM)，.NET的通用中间语言(CIL: Common Intermeditate Language)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(Zend VM)之上的。PHP的opcode就是Zend虚拟机中的指令(基于Zend的中间代码)

Relevant Link:

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_t handler; // 执行该opcode时调用的处理函数
    znode_op op1; // opcode所操作的操作数
    znode_op op2; // opcode所操作的操作数
    znode_op result;
    ulong extended_value;
    uint lineno;
    zend_uchar opcode; // opcode代码
    zend_uchar op1_type;
    zend_uchar op2_type;
    zend_uchar result_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

    void zend_do_print(znode *result, const znode *arg TSRMLS_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_uchar opcode

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unsigned char，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

    #define ZEND_NOP 0
    #define ZEND_ADD 1
    #define ZEND_SUB 2
    #define ZEND_MUL 3
    #define ZEND_DIV 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
    #define ZEND_BW_XOR 11
    #define ZEND_BW_NOT 12
    #define ZEND_BOOL_NOT 13
    #define ZEND_BOOL_XOR 14
    #define ZEND_IS_IDENTICAL 15
    #define ZEND_IS_NOT_IDENTICAL 16
    #define ZEND_IS_EQUAL 17
    #define ZEND_IS_NOT_EQUAL 18
    #define ZEND_IS_SMALLER 19
    #define ZEND_IS_SMALLER_OR_EQUAL 20
    #define ZEND_CAST 21
    #define ZEND_QM_ASSIGN 22
    #define ZEND_ASSIGN_ADD 23
    #define ZEND_ASSIGN_SUB 24
    #define ZEND_ASSIGN_MUL 25
    #define ZEND_ASSIGN_DIV 26
    #define ZEND_ASSIGN_MOD 27
    #define ZEND_ASSIGN_SL 28
    #define ZEND_ASSIGN_SR 29
    #define ZEND_ASSIGN_CONCAT 30
    #define ZEND_ASSIGN_BW_OR 31
    #define ZEND_ASSIGN_BW_AND 32
    #define ZEND_ASSIGN_BW_XOR 33
    #define ZEND_PRE_INC 34
    #define ZEND_PRE_DEC 35
    #define ZEND_POST_INC 36
    #define ZEND_POST_DEC 37
    #define ZEND_ASSIGN 38
    #define ZEND_ASSIGN_REF 39
    #define ZEND_ECHO 40
    #define ZEND_PRINT 41
    #define ZEND_JMP 42
    #define ZEND_JMPZ 43
    #define ZEND_JMPNZ 44
    #define ZEND_JMPZNZ 45
    #define ZEND_JMPZ_EX 46
    #define ZEND_JMPNZ_EX 47
    #define ZEND_CASE 48
    #define ZEND_SWITCH_FREE 49
    #define ZEND_BRK 50
    #define ZEND_CONT 51
    #define ZEND_BOOL 52
    #define ZEND_INIT_STRING 53
    #define ZEND_ADD_CHAR 54
    #define ZEND_ADD_STRING 55
    #define ZEND_ADD_VAR 56
    #define ZEND_BEGIN_SILENCE 57
    #define ZEND_END_SILENCE 58
    #define ZEND_INIT_FCALL_BY_NAME 59
    #define ZEND_DO_FCALL 60
    #define ZEND_DO_FCALL_BY_NAME 61
    #define ZEND_RETURN 62
    #define ZEND_RECV 63
    #define ZEND_RECV_INIT 64
    #define ZEND_SEND_VAL 65
    #define ZEND_SEND_VAR 66
    #define ZEND_SEND_REF 67
    #define ZEND_NEW 68
    #define ZEND_INIT_NS_FCALL_BY_NAME 69
    #define ZEND_FREE 70
    #define ZEND_INIT_ARRAY 71
    #define ZEND_ADD_ARRAY_ELEMENT 72
    #define ZEND_INCLUDE_OR_EVAL 73
    #define ZEND_UNSET_VAR 74
    #define ZEND_UNSET_DIM 75
    #define ZEND_UNSET_OBJ 76
    #define ZEND_FE_RESET 77
    #define ZEND_FE_FETCH 78
    #define ZEND_EXIT 79
    #define ZEND_FETCH_R 80
    #define ZEND_FETCH_DIM_R 81
    #define ZEND_FETCH_OBJ_R 82
    #define ZEND_FETCH_W 83
    #define ZEND_FETCH_DIM_W 84
    #define ZEND_FETCH_OBJ_W 85
    #define ZEND_FETCH_RW 86
    #define ZEND_FETCH_DIM_RW 87
    #define ZEND_FETCH_OBJ_RW 88
    #define ZEND_FETCH_IS 89
    #define ZEND_FETCH_DIM_IS 90
    #define ZEND_FETCH_OBJ_IS 91
    #define ZEND_FETCH_FUNC_ARG 92
    #define ZEND_FETCH_DIM_FUNC_ARG 93
    #define ZEND_FETCH_OBJ_FUNC_ARG 94
    #define ZEND_FETCH_UNSET 95
    #define ZEND_FETCH_DIM_UNSET 96
    #define ZEND_FETCH_OBJ_UNSET 97
    #define ZEND_FETCH_DIM_TMP_VAR 98
    #define ZEND_FETCH_CONSTANT 99
    #define ZEND_GOTO 100
    #define ZEND_EXT_STMT 101
    #define ZEND_EXT_FCALL_BEGIN 102
    #define ZEND_EXT_FCALL_END 103
    #define ZEND_EXT_NOP 104
    #define ZEND_TICKS 105
    #define ZEND_SEND_VAR_NO_REF 106
    #define ZEND_CATCH 107
    #define ZEND_THROW 108
    #define ZEND_FETCH_CLASS 109
    #define ZEND_CLONE 110
    #define ZEND_RETURN_BY_REF 111
    #define ZEND_INIT_METHOD_CALL 112
    #define ZEND_INIT_STATIC_METHOD_CALL 113
    #define ZEND_ISSET_ISEMPTY_VAR 114
    #define ZEND_ISSET_ISEMPTY_DIM_OBJ 115
    #define ZEND_PRE_INC_OBJ 132
    #define ZEND_PRE_DEC_OBJ 133
    #define ZEND_POST_INC_OBJ 134
    #define ZEND_POST_DEC_OBJ 135
    #define ZEND_ASSIGN_OBJ 136
    #define ZEND_INSTANCEOF 138
    #define ZEND_DECLARE_CLASS 139
    #define ZEND_DECLARE_INHERITED_CLASS 140
    #define ZEND_DECLARE_FUNCTION 141
    #define ZEND_RAISE_ABSTRACT_ERROR 142
    #define ZEND_DECLARE_CONST 143
    #define ZEND_ADD_INTERFACE 144
    #define ZEND_DECLARE_INHERITED_CLASS_DELAYED 145
    #define ZEND_VERIFY_ABSTRACT_CLASS 146
    #define ZEND_ASSIGN_DIM 147
    #define ZEND_ISSET_ISEMPTY_PROP_OBJ 148
    #define ZEND_HANDLE_EXCEPTION 149
    #define ZEND_USER_OPCODE 150
    #define ZEND_JMP_SET 152
    #define ZEND_DECLARE_LAMBDA_FUNCTION 153
    #define ZEND_ADD_TRAIT 154
    #define ZEND_BIND_TRAITS 155
    #define ZEND_SEPARATE 156
    #define ZEND_QM_ASSIGN_VAR 157
    #define ZEND_JMP_SET_VAR 158
    #define ZEND_DISCARD_EXCEPTION 159
    #define ZEND_YIELD 160
    #define ZEND_GENERATOR_RETURN 161
    #define ZEND_FAST_CALL 162
    #define ZEND_FAST_RET 163
    #define ZEND_RECV_VARIADIC 164
    #define ZEND_SEND_UNPACK 165
    #define ZEND_POW 166
    #define ZEND_ASSIGN_POW 167 

0x3: opcode执行句柄: zend_op->handler

op的执行句柄，其类型为opcode_handler_t

typedef int (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

    void zend_init_opcodes_handlers(void)
    {
    static const opcode_handler_t labels[] = {
    ..
    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

    typedef struct _znode { /* used only during compilation */
    /*
    这个int类型的字段定义znode操作数的类型
    #define IS_CONST (1<<0) //表示常量，例如$a = 123; $b = "hello";这些代码生成OP后，123和"hello"都是以常量类型操作数存在
    #define IS_TMP_VAR (1<<1) //表示临时变量，临时变量一般在前面加~来表示，这是一些OP执行过程中需要用到的中间变量，例如初始化一个数组的时候，就需要一个临时变量来暂时存储数组zval，然后将数组赋值给变量
    #define IS_VAR (1<<2) //一般意义上的变量，以$开发表示
    #define IS_UNUSED (1<<3) // Unused variable 
    #define IS_CV (1<<4) // Compiled variable，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compiled variable，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
    */
    int op_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_op op;
    zval constant; /* replaced by literal/zv */
    zend_op_array *op_array;
    zend_ast *ast;
    } u;
    zend_uint EA; /* extended attributes */
    } 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 
    {
    /* Common elements */
    zend_uchar type;
    const char *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_uint fn_flags;
    union _zend_function *prototype;
    zend_uint num_args;
    zend_uint required_num_args;
    zend_arg_info *arg_info;
    /* END of common elements */
    zend_uint *refcount;
    zend_op *opcodes; // opcode数组
    zend_uint last;
    zend_compiled_variable *vars;
    int last_var;
    zend_uint T;
    zend_uint nested_calls;
    zend_uint used_stack;
    zend_brk_cont_element *brk_cont_array;
    int last_brk_cont;
    zend_try_catch_element *try_catch_array;
    int last_try_catch;
    zend_bool has_finally_block;
    /* static variables support */
    HashTable *static_variables;
    zend_uint this_var;
    const char *filename;
    zend_uint line_start;
    zend_uint line_end;
    const char *doc_comment;
    zend_uint doc_comment_len;
    zend_uint early_binding; /* the linked list of delayed declarations */
    zend_literal *literals;
    int last_literal;
    void **run_time_cache;
    int last_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_API void execute(zend_op_array *op_array TSRMLS_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zend api进行即使解释执行

Relevant Link:

    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)

Relevant Link:

    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php opcode内核实现的相关知识，希望对大家有所帮助。