PHP内核介绍及扩展开发指南—基础知识

答案：
一、 基础知识 
　　本章简要介绍一些Zend引擎的内部机制，这些知识和Extensions密切相关，同时也可以帮助我们写出更加高效的PHP代码。 
　　1.1 PHP变量的存储 
　　1.1.1 zval结构 
　　Zend使用zval结构来存储PHP变量的值，该结构如下所示： 
复制代码 代码如下:
 
typedef union _zvalue_value { 
long lval; /* long value */ 
double dval; /* double value */ 
struct { 
char *val; 
int len; 
} str; 
HashTable *ht; /* hash table value */ 
zend_object_value obj; 
} zvalue_value; 
struct _zval_struct { 
/* Variable information */ 
zvalue_value value; /* value */ 
zend_uint refcount; 
zend_uchar type; /* active type */ 
zend_uchar is_ref; 
}; 
typedef struct _zval_struct zval; 
<span id="more-597"></span>Zend根据type值来决定访问value的哪个成员，可用值如下： 

IS_NULLN/A 

　　IS_LONG对应value.lval 

　　IS_DOUBLE对应value.dval 

　　IS_STRING对应value.str 

　　IS_ARRAY对应value.ht 

　　IS_OBJECT对应value.obj 

　　IS_BOOL对应value.lval. 

　　IS_RESOURCE对应value.lval 

　　根据这个表格可以发现两个有意思的地方：首先是PHP的数组其实就是一个HashTable，这就解释了为什么PHP能够支持关联数组了;其次，Resource就是一个long值，它里面存放的通常是个指针、一个内部数组的index或者其它什么只有创建者自己才知道的东西，可以将其视作一个handle 

　　1.1.1 引用计数 

　　引用计数在垃圾收集、内存池以及字符串等地方应用广泛，Zend就实现了典型的引用计数。多个PHP变量可以通过引用计数机制来共享同一份zval，zval中剩余的两个成员is_ref和refcount就用来支持这种共享。 

　　很明显，refcount用于计数，当增减引用时，这个值也相应的递增和递减，一旦减到零，Zend就会回收该zval。 

　　那么is_ref呢? 

　　1.1.2 zval状态 

　　在PHP中，变量有两种——引用和非引用的，它们在Zend中都是采用引用计数的方式存储的。对于非引用型变量，要求变量间互不相干，修改一个变量时，不能影响到其他变量，采用Copy-On-Write机制即可解决这种冲突——当试图写入一个变量时，Zend若发现该变量指向的zval被多个变量共享，则为其复制一份refcount为1的zval，并递减原zval的refcount，这个过程称为“zval分离”。然而，对于引用型变量，其要求和非引用型相反，引用赋值的变量间必须是捆绑的，修改一个变量就修改了所有捆绑变量。 

　　可见，有必要指出当前zval的状态，以分别应对这两种情况，is_ref就是这个目的，它指出了当前所有指向该zval的变量是否是采用引用赋值的——要么全是引用，要么全不是。此时再修改一个变量，只有当发现其zval的is_ref为0，即非引用时，Zend才会执行Copy-On-Write。 

　　1.1.3 zval状态切换 

　　当在一个zval上进行的所有赋值操作都是引用或者都是非引用时，一个is_ref就足够应付了。然而，世界总不会那么美好，PHP无法对用户进行这种限制，当我们混合使用引用和非引用赋值时，就必须要进行特别处理了。 

　　情况I、看如下PHP代码： 

<!--p $a = 1; $b = &$a; $c = &$b; $d = $c; // 在一堆引用赋值中，插入一个非引用--> 



　　全过程如下所示： 

　　这段代码的前三句将把a、b和c指向一个zval，其is_ref=1, refcount=3;第四句是个非引用赋值，通常情况下只需要增加引用计数即可，然而目标zval属于引用变量，单纯的增加引用计数显然是错误的， Zend的解决办法是为d单独生成一份zval副本。 

　　全过程如下所示： 


1.1.1 参数传递 

　　PHP函数参数的传递和变量赋值是一样的，非引用传递相当于非引用赋值，引用传递相当于引用赋值，并且也有可能会导致执行zval状态切换。这在后面还将提到。 

　　1.2 HashTable结构 

　　HashTable是Zend引擎中最重要、使用最广泛的数据结构，它被用来存储几乎所有的东西。 

　　1.1.1 数据结构 

　　HashTable数据结构定义如下：
复制代码 代码如下:
 
typedef struct bucket { 
ulong h; // 存放hash 
uint nKeyLength; 
void *pData; // 指向value，是用户数据的副本 
void *pDataPtr; 
struct bucket *pListNext; // pListNext和pListLast组成 
struct bucket *pListLast; // 整个HashTable的双链表 
struct bucket *pNext; // pNext和pLast用于组成某个hash对应 
struct bucket *pLast; // 的双链表 
char arKey[1]; // key 
} Bucket; 
typedef struct _hashtable { 
uint nTableSize; 
uint nTableMask; 
uint nNumOfElements; 
ulong nNextFreeElement; 
Bucket *pInternalPointer; /* Used for element traversal */ 
Bucket *pListHead; 
Bucket *pListTail; 
Bucket **arBuckets; // hash数组 
dtor_func_t pDestructor; // HashTable初始化时指定，销毁Bucket时调用 
zend_bool persistent; // 是否采用C的内存分配例程 
unsigned char nApplyCount; 
zend_bool bApplyProtection; 
#if ZEND_DEBUG 
int inconsistent; 
#endif 
} HashTable; 
 
总的来说，Zend的HashTable是一种链表散列，同时也为线性遍历进行了优化，图示如下： 


HashTable中包含两种数据结构，一个链表散列和一个双向链表，前者用于进行快速键-值查询，后者方便线性遍历和排序，一个Bucket同时存在于这两个数据结构中。 
　　关于该数据结构的几点解释： 
　　l 链表散列中为什么使用双向链表? 
　　一般的链表散列只需要按key进行操作，只需要单链表就够了。但是，Zend有时需要从链表散列中删除给定的Bucket，使用双链表可以非常高效的实现。 
　　l nTableMask是干什么的? 
　　这个值用于hash值到arBuckets数组下标的转换。当初始化一个HashTable，Zend首先为arBuckets数组分配nTableSize大小的内存，nTableSize取不小于用户指定大小的最小的2^n，即二进制的10*。nTableMask = nTableSize – 1，即二进制的01*，此时h & nTableMask就恰好落在 [0, nTableSize – 1] 里，Zend就以其为index来访问arBuckets数组。 
　　l pDataPtr是干什么的? 
　　通常情况下，当用户插入一个键值对时，Zend会将value复制一份，并将pData指向value副本。复制操作需要调用Zend内部例程 emalloc来分配内存，这是个非常耗时的操作，并且会消耗比value大的一块内存(多出的内存用于存放cookie)，如果value很小的话，将会造成较大的浪费。考虑到HashTable多用于存放指针值，于是Zend引入pDataPtr，当value小到和指针一样长时，Zend就直接将其复制到pDataPtr里，并且将pData指向pDataPtr。这就避免了emalloc操作，同时也有利于提高Cache命中率。 
　　arKey大小为什么只有1?为什么不使用指针管理key? 
　　arKey是存放key的数组，但其大小却只有1，并不足以放下key。在HashTable的初始化函数里可以找到如下代码： 
　　1p = (Bucket *) pemalloc(sizeof(Bucket) - 1 + nKeyLength, ht->persistent); 
　　可见，Zend为一个Bucket分配了一块足够放下自己和key的内存， 
　　l 上半部分是Bucket，下半部分是key，而arKey“恰好”是Bucket的最后一个元素，于是就可以使用arKey来访问key了。这种手法在内存管理例程中最为常见，当分配内存时，实际上是分配了比指定大小要大的内存，多出的上半部分通常被称为cookie，它存储了这块内存的信息，比如块大小、上一块指针、下一块指针等，baidu的Transmit程序就使用了这种方法。 
　　不用指针管理key，是为了减少一次emalloc操作，同时也可以提高Cache命中率。另一个必需的理由是，key绝大部分情况下是固定不变的，不会因为key变长了而导致重新分配整个Bucket。这同时也解释了为什么不把value也一起作为数组分配了——因为value是可变的。 
　　1.2.2 PHP数组 
　　关于HashTable还有一个疑问没有回答，就是nNextFreeElement是干什么的? 
　　不同于一般的散列，Zend的HashTable允许用户直接指定hash值，而忽略key，甚至可以不指定key(此时，nKeyLength为0)。同时，HashTable也支持append操作，用户连hash值也不用指定，只需要提供value，此时，Zend就用nNextFreeElement作为hash，之后将nNextFreeElement递增。 
　　HashTable的这种行为看起来很奇怪，因为这将无法按key访问value，已经完全不是个散列了。理解问题的关键在于，PHP数组就是使用HashTable实现的——关联数组使用正常的k-v映射将元素加入HashTable，其key为用户指定的字符串;非关联数组则直接使用数组下标作为hash值，不存在key;而当在一个数组中混合使用关联和非关联时，或者使用array_push操作时，就需要用nNextFreeElement了。 
　　再来看value，PHP数组的value直接使用了zval这个通用结构，pData指向的是zval*，按照上一节的介绍，这个zval*将直接存储在pDataPtr里。由于直接使

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