深入PHP内核（一）——弱类型变量原理探究

女爷i 2022-05-30 07:40 152阅读 0赞

PHP是一门简单而强大的语言，提供了很多Web适用的语言特性，其中就包括了变量弱类型，在弱类型机制下，你能够给一个变量赋任意类型的值。  
  
PHP的执行是通过Zend Engine（下面简称ZE），ZE是使用C编写，在底层实现了一套弱类型机制。ZE的内存管理使用写时拷贝、引用计数等优化策略，减少再变量赋值时候的内存拷贝。

下面不光带你探索PHP弱类型的原理，也会在写PHP扩展角度，介绍如何操作PHP的变量。

## **1. PHP的变量类型** ##

PHP的变量类型有8种：

*  标准类型：布尔boolen，整型integer，浮点float，字符string
 *  复杂类型：数组array，对象object
 *  特殊类型：资源resource

PHP不会严格检验变量类型，变量可以不显示的声明其类型，而在运行期间直接赋值。也可以将变量自由的转换类型。如下例，没有实现声明的情况下，$i可以赋任意类型的值。

<? php  $i = 1;   //int $i = 'show me the money';  //string $i = 0.02;  // float $i = array(1, 2, 3);  // array $i = new Exception('test', 123); // object $i = fopen('/tmp/aaa.txt', 'a') // resource ?>

如果你对弱类型原理理解不深刻，在变量比较时候，会出现“超出预期”的惊喜。

<? PHP $str1 = null;  $str2 = false;  echo $str1==$str2 ? '相等' : '不相等';  $str3 = '';  $str4 = 0;  echo $str3==$str4 ? '相等' : '不相等';  $str5 = 0;  $str6 = '0';  echo $str5==$str6 ? '相等' : '不相等';  ?>

以上三个结果全部是相等，因为在变量比较的时候，PHP内部做了变量转换。如果希望值和类型同时判断，请使用三个=（如，$a===0）来判断。也许你会觉得司空见惯，也许你会觉得很神奇，那么请跟我一起深入PHP内核，探索PHP变量原理。

## **2. 变量的存储及标准类型介绍** ##

PHP的所有变量，都是以结构体zval来实现，在Zend/zend.h中我们能看到zval的定义：

typedef union _zvalue_value {     long lval;                 /* long value */     double dval;               /* double value */     struct {                            char *val;         int len;               /* this will always be set for strings */     } str;                     /* string (always has length) */     HashTable *ht;             /* an array */     zend_object_value obj;     /* stores an object store handle, and handlers */  } zvalue_value;

<table style="border-collapse:collapse;background-color:#F8F8F8;color:#000000;font-size:14px;font-family:'Microsoft Yahei';line-height:23px;"> 
 <thead> 
  <tr> 
   <td>属性名</td> 
   <td>含义</td> 
   <td>默认值</td> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>refcount__gc</td> 
   <td>表示引用计数</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>is_ref__gc</td> 
   <td>表示是否为引用</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>value</td> 
   <td>存储变量的值</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>type</td> 
   <td>变量具体的类型</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

其中refcount\_\_gc和is\_ref\_\_gc表示变量是否是一个引用。type字段标识变量的类型，type的值可以是：IS\_NULL，IS\_BOOL，IS\_LONG，IS\_FLOAT，IS\_STRING，IS\_ARRAY，IS\_OBJECT，IS\_RESOURCE。PHP根据type的类型，来选择如何存储到zvalue\_value。  
  
zvalue\_value能够实现变量弱类型的核心，定义如下：

布尔型，zval.type=IS\_BOOL，会读取zval.value.lval字段，值为1/0。如果是字符串，zval.type=IS\_STRING，会读取zval.value.str，这是一个结构体，存储了字符串指针和长度。

C语言中，用"\\0"作为字符串结束符。也就是说一个字符串"Hello\\0World"在C语言中，用printf来输出的话，只能输出hello，因为"\\0"会认为字符已经结束。PHP中是通过结构体的\_zval\_value.str.len来控制字符串长度，相关函数不会遇到"\\0"结束。所以PHP的字符串是二进制安全的。

如果是NULL，只需要zval.type=IS\_NULL，不需要读取值。

通过对zval的封装，PHP实现了弱类型，对于ZE来说，通过zval可以存取任何类型。

## **3. 高级类型Array和Object数组Array** ##

数组是PHP语言中非常强大的一个数据结构，分为索引数组和关联数组，zval.type=IS\_ARRAY。在关联数组中每个key可以存储任意类型的数据。PHP的数组是用Hash Table实现的，数组的值存在zval.value.ht中。

后面会专门讲到PHP哈希表的实现。

对象类型的zval.type=IS\_OBJECT，值存在zval.value.obj中。

## **4. 特殊类型——资源类型(Resource)介绍** ##

资源类型是个很特殊的类型，zval.type=IS\_RESOURCE，在PHP中有一些很难用常规类型描述的数据结构，比如文件句柄，对于C语言来说是一个指针，不过PHP中没有指针的概念，也不能用常规类型来约束，因此PHP通过资源类型概念，把C语言中类似文件指针的变量，用zval结构来封装。资源类型值是一个整数，ZE会根据这个值去资源的哈希表中获取。

资源类型的定义：

typedefstruct_zend_rsrc_list_entry {     void *ptr;     int type;     int refcount;  }zend_rsrc_list_entry;

其中，ptr是一个指向资源的最终实现的指针，例如一个文件句柄，或者一个数据库连接结构。type是一个类型标记，用于区分不同的资源类型。refcount用于资源的引用计数。

内核中，资源类型是通过函数ZEND\_FETCH\_RESOURCE获取的。

ZEND_FETCH_RESOURCE(con, type, zval *, default, resource_name, resource_type);

## **5. 变量类型的转换** ##

按照现在我们对PHP语言的了解，变量的类型依赖于zval.type字段指示，变量的内容按照zval.type存储到zval.value。当PHP中需要变量的时候，只需要两个步骤：把zval.value的值或指针改变，再改变zval.type的类型。不过对于PHP的一些高级变量Array/Object/Resource，变量转换要进行更多操作。

变量转换原理分为3种：

### **5.1 标准类型相互转换** ###

比较简单，按照上述的步骤转化即可。

### **5.2 标准类型与资源类型转换** ###

资源类型可以理解为是int，比较方便转换标准类型。转换后资源会被close或回收。

<? php $var = fopen('/tmp/aaa.txt', 'a');　// 资源 #1 $var = (int) $var; var_dump($var);  // 输出1 ?>

5.3 标准类型与复杂类型转换

Array转换整型int/浮点型float会返回元素个数；转换bool返回Array中是否有元素；转换成string返回'Array'，并抛出warning。  
详细内容取决于经验，请阅读PHP手册： [http://php.net/manual/en/language.types.type-juggling.php][http_php.net_manual_en_language.types.type-juggling.php]

### **5.4 复杂类型相互转换** ###

array和object可以互转。如果其它任何类型的值被转换成对象，将会创建一个内置类*stdClass*的实例。

在我们写PHP扩展的时候，PHP内核提供了一组函数用于类型转换：

<table style="border-collapse:collapse;background-color:#F8F8F8;color:#000000;font-size:14px;font-family:'Microsoft Yahei';line-height:23px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>void convert_to_long(zval* pzval)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void convert_to_double(zval* pzval)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void convert_to_long_base(zval* pzval, int base)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void convert_to_null(zval* pzval)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void convert_to_boolean(zval* pzval)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void convert_to_array(zval* pzval)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void convert_to_object(zval* pzval)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void convert_object_to_type(zval* pzval, convert_func_t converter)</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

PHP内核提供的一组宏来方便的访问zval，用于更细粒度的获取zval的值：

<table style="border-collapse:collapse;background-color:#F8F8F8;color:#000000;font-size:14px;font-family:'Microsoft Yahei';line-height:23px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td colspan="2" style="text-align:center;">内核访问zval容器的API</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>宏</td> 
   <td>访问变量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_LVAL(zval)</em></td> 
   <td>(zval).value.lval</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_DVAL(zval)</em></td> 
   <td>(zval).value.dval</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_STRVAL(zval)</em></td> 
   <td>(zval).value.str.val</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_STRLEN(zval)</em></td> 
   <td>(zval).value.str.len</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_ARRVAL(zval)</em></td> 
   <td>(zval). <a href="http://value.ht/" rel="nofollow">value.ht</a></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_TYPE(zval)</em></td> 
   <td>(zval).type</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_LVAL_P(zval)</em></td> 
   <td>(*zval).value.lval</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_DVAL_P(zval)</em></td> 
   <td>(*zval).value.dval</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_STRVAL_P(zval_p)</em></td> 
   <td>(*zval).value.str.val</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_STRLEN_P(zval_p)</em></td> 
   <td>(*zval).value.str.len</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_ARRVAL_P(zval_p)</em></td> 
   <td>(*zval). <a href="http://value.ht/" rel="nofollow">value.ht</a></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_OBJ_HT_P(zval_p)</em></td> 
   <td>(*zval).value.obj.handlers</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_LVAL_PP(zval_pp)</em></td> 
   <td>(**zval).value.lval</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_DVAL_PP(zval_pp)</em></td> 
   <td>(**zval).value.dval</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_STRVAL_PP(zval_pp)</em></td> 
   <td>(**zval).value.str.val</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_STRLEN_PP(zval_pp)</em></td> 
   <td>(**zval).value.str.len</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>Z_ARRVAL_PP(zval_pp)</em></td> 
   <td>(**zval). <a href="http://value.ht/" rel="nofollow">value.ht</a></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## **6. 变量的符号表与作用域** ##

PHP的变量符号表与zval值的映射，是通过HashTable（哈希表，又叫做散列表，下面简称HT），HashTable在ZE中广泛使用，包括常量、变量、函数等语言特性都是HT来组织，在PHP的数组类型也是通过HashTable来实现。  
举个例子：

<? php $var = 'Hello World'; ?>

$var的变量名会存储在变量符号表中，代表$var的类型和值的zval结构存储在哈希表中。内核通过变量符号表与zval地址的哈希映射，来实现PHP变量的存取。

为什么要提作用域呢？因为函数内部变量保护。按照作用域PHP的变量分为全局变量和局部变量，每种作用域PHP都会维护一个符号表的HashTable。当在PHP中创建一个函数或类的时候，ZE会创建一个新的符号表，表明函数或类中的变量是局部变量，这样就实现了局部变量的保护--外部无法访问函数内部的变量。当创建一个PHP变量的时候，ZE会分配一个zval，并设置相应type和初始值，把这个变量加入当前作用域的符号表，这样用户才能使用这个变量。  
内核中使用ZEND\_SET\_SYMBOL来设置变量：

ZEND_SET_SYMBOL( EG(active_symbol_table), "foo", foo);

查看\_zend\_executor\_globals结构

Zend/zend_globals.h
     struct _zend_executor_globals {          //略        HashTable symbol_table;//全局变量的符号表        HashTable *active_symbol_table;//局部变量的符号表        //略  };

在写PHP扩展时候，可以通过EG宏来访问PHP的变量符号表。EG(symbol\_table)访问全局作用域的变量符号表，EG(active\_symbol\_table)访问当前作用域的变量符号表，局部变量存储的是指针，在对HashTable进行操作的时候传递给相应函数。

为了更好的理解变量的哈希表与作用域，举个简单的例子：

<? php $temp = 'global'; function test() {     $temp = 'active'; } test(); var_dump($temp); ?>

创建函数外的变量$temp，会把这个它加入全局符号表，同时在全局符号表的HashTable中，分配一个字符类型的zval，值为‘global‘。创建函数test内部变量$temp，会把它加入属于函数test的符号表，分配字符型zval，值为’active' 。

## **7. PHP扩展中变量操作** ##

### **创建PHP变量** ###

我们可以在扩展中调用函数MAKE\_STD\_ZVAL(pzv)来创建一个PHP可调用的变量，MAKE\_STD\_ZVAL应用到的宏有：

#define     MAKE_STD_ZVAL(zv)               ALLOC_ZVAL(zv);INIT_PZVAL(zv)   #define     ALLOC_ZVAL(z)                   ZEND_FAST_ALLOC(z, zval, ZVAL_CACHE_LIST)   #define     ZEND_FAST_ALLOC(p, type, fc_type)       (p) = (type *) emalloc(sizeof(type))   #define     INIT_PZVAL(z)                       (z)->refcount__gc = 1;(z)->is_ref__gc = 0;

MAKE\_STD\_ZVAL(foo)展开后得到：

(foo) = (zval *) emalloc(sizeof(zval));   (foo)->refcount__gc = 1;   (foo)->is_ref__gc = 0;

可以看出，MAKE\_STD\_ZVAL做了三件事：分配内存、初始化zval结构中的refcount、is\_ref。

内核中提供一些宏来简化我们的操作，可以只用一步便设置好zval的类型和值。

<table style="border-collapse:collapse;background-color:#F8F8F8;color:#000000;font-size:14px;font-family:'Microsoft Yahei';line-height:23px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td colspan="2" style="text-align:center;">API Macros for Accessing&nbsp;zval&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>宏</td> 
   <td>实现方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>ZVAL_NULL(pvz)</em></td> 
   <td>Z_TYPE_P(pzv) = IS_NULL</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>ZVAL_BOOL(pvz)</em></td> 
   <td>Z_TYPE_P(pzv) = IS_BOOL; <br>Z_BVAL_P(pzv) = b ? 1 : 0;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>ZVAL_TRUE(pvz)</em></td> 
   <td>ZVAL_BOOL(pzv, 1);</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>ZVAL_FALSE(pvz)</em></td> 
   <td>ZVAL_BOOL(pzv, 0);</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>ZVAL_LONG(pvz, l)(l 是值)</em></td> 
   <td>Z_TYPE_P(pzv) = IS_LONG;Z_LVAL_P(pzv) = l;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>ZVAL_DOUBLE(pvz, d)</em></td> 
   <td>Z_TYPE_P(pzv) = IS_DOUBLE;Z_LVAL_P(pzv) = d;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>ZVAL_STRINGL(pvz, str, len, dup)</em></td> 
   <td>Z_TYPE_P(pzv) = IS_STRING;Z_STRLEN_P(pzv) = len; <br>if (dup) { <br>&nbsp; &nbsp; {Z_STRVAL_P(pzv) =estrndup(str, len + 1);}&nbsp; <br>}else { <br>&nbsp; &nbsp; {Z_STRVAL_P(pzv) = str;} <br>}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>ZVAL_STRING(pvz, str, len)</em></td> 
   <td>ZVAL_STRINGL(pzv, str,strlen(str), dup);</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><em>ZVAL_RESOURCE(pvz, res)</em></td> 
   <td>Z_TYPE_P(pzv) = IS_RESOURCE;Z_RESVAL_P(pzv) = res;&nbsp;</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**ZVAL\_STRINGL(pzv,str,len,dup)中的dup参数**

先阐述一下ZVAL\_STRINGL(pzv,str,len,dup); str和len两个参数很好理解，因为我们知道内核中保存了字符串的地址和它的长度，后面的dup的意思其实很简单，它指明了该字符串是否需要被复制。值为 1 将先申请一块新内存并赋值该字符串，然后把新内存的地址复制给pzv，为 0 时则是直接把str的地址赋值给zval。

**ZVAL\_STRINGL与ZVAL\_STRING的区别**

如果你想在某一位置截取该字符串或已经知道了这个字符串的长度，那么可以使用宏 ZVAL\_STRINGL(zval, string, length, duplicate) ，它显式的指定字符串长度，而不是使用strlen()。这个宏该字符串长度作为参数。但它是二进制安全的，而且速度也比ZVAL\_STRING快，因为少了个strlen。  
  
**ZVAL\_RESOURCE约等于ZVAL\_LONG**

在章节4中我们说过，PHP中的资源类型的值是一个整数，所以ZVAL\_RESOURCE和ZVAL\_LONG的工作差不多，只不过它会把zval的类型设置为 IS\_RESOURCE。

## **8. 总结** ##

PHP的弱类型是通过ZE的zval容器转换完成，通过哈希表来存储变量名和zval数据，在运行效率方面有一定牺牲。另外因为变量类型的隐性转换，在开发过程中对变量类型检测力度不够，可能会导致问题出现。

不过PHP的弱类型、数组、内存托管、扩展等语言特性，非常适合Web开发场景，开发效率很高，能够加快产品迭代周期。在海量服务中，通常瓶颈存在于数据访问层，而不是语言本身。在实际使用PHP不仅担任逻辑层和展现层的任务，我们甚至用PHP开发的UDPServer/TCPServer作为数据和cache的中间层。

[http_php.net_manual_en_language.types.type-juggling.php]: http://php.net/manual/en/language.types.type-juggling.php