PHP Zval结构

2022-11-03 17:52:46

变量的内部实现

变量是一个语言实现的基础，变量有两个组成部分：变量名、变量值，PHP中可以将其对应为：zval、zend_value，这两个概念一定要区分开，PHP中变量的内存是通过引用计数进行管理的，而且PHP7中引用计数是在zend_value而不是zval上，变量之间的传递、赋值通常也是针对zend_value。

PHP中可以通过$关键词定义一个变量：$a;，在定义的同时可以进行初始化：$a = "hi~";，注意这实际是两步：定义、初始化，只定义一个变量也是可以的，可以不给它赋值，比如：

$a;
$b = 1;

这段代码在执行时会分配两个zval。

接下来我们具体看下变量的结构以及不同类型的实现。

变量的基础结构

//zend_types.h
typedef struct _zval_struct     zval;

typedef union _zend_value {
    zend_long         lval;    //int整形
    double            dval;    //浮点型
    zend_refcounted  *counted;
    zend_string      *str;     //string字符串
    zend_array       *arr;     //array数组
    zend_object      *obj;     //object对象
    zend_resource    *res;     //resource资源类型
    zend_reference   *ref;     //引用类型，通过&$var_name定义的
    zend_ast_ref     *ast;     //下面几个都是内核使用的value
    zval             *zv;
    void             *ptr;
    zend_class_entry *ce;
    zend_function    *func;
    struct {
        uint32_t w1;
        uint32_t w2;
    } ww;
} zend_value;

struct _zval_struct {
    zend_value        value; //变量实际的value
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4( //这个是为了兼容大小字节序，小字节序就是下面的顺序，大字节序则下面4个顺序翻转
                zend_uchar    type,         //变量类型
                zend_uchar    type_flags,  //类型掩码，不同的类型会有不同的几种属性，内存管理会用到
                zend_uchar    const_flags,
                zend_uchar    reserved)     //call info，zend执行流程会用到
        } v;
        uint32_t type_info; //上面4个值的组合值，可以直接根据type_info取到4个对应位置的值
    } u1;
    union {
        uint32_t     var_flags;
        uint32_t     next;                 //哈希表中解决哈希冲突时用到
        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 */
    } u2; //一些辅助值
};

zval结构比较简单，内嵌一个union类型的zend_value保存具体变量类型的值或指针，zval中还有两个union：u1、u2:

u1：它的意义比较直观，变量的类型就通过u1.v.type区分，另外一个值type_flags为类型掩码，在变量的内存管理、gc机制中会用到，第三部分会详细分析，至于后面两个const_flags、reserved暂且不管
u2：这个值纯粹是个辅助值，假如zval只有:value、u1两个值，整个zval的大小也会对齐到16byte，既然不管有没有u2大小都是16byte，把多余的4byte拿出来用于一些特殊用途还是很划算的，比如next在哈希表解决哈希冲突时会用到，还有fe_pos在foreach会用到......

从zend_value可以看出，除long、double类型直接存储值外，其它类型都为指针，指向各自的结构。

类型

zval.u1.type类型：

/* regular data types */
#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

/* constant expressions */
#define IS_CONSTANT                 11
#define IS_CONSTANT_AST             12

/* fake types */
#define _IS_BOOL                    13
#define IS_CALLABLE                 14

/* internal types */
#define IS_INDIRECT                 15
#define IS_PTR                      17

标量类型

最简单的类型是true、false、long、double、null，其中true、false、null没有value，直接根据type区分，而long、double的值则直接存在value中：zend_long、double，也就是标量类型不需要额外的value指针。

字符串

PHP中字符串通过zend_string表示:

struct _zend_string {
    zend_refcounted_h gc;
    zend_ulong        h;                /* hash value */
    size_t            len;
    char              val[1];
};

gc：变量引用信息，比如当前value的引用数，所有用到引用计数的变量类型都会有这个结构，3.1节会详细分析
h：哈希值，数组中计算索引时会用到
len：字符串长度，通过这个值保证二进制安全
val：字符串内容，变长struct，分配时按len长度申请内存

事实上字符串又可具体分为几类：IS_STR_PERSISTENT(通过malloc分配的)、IS_STR_INTERNED(php代码里写的一些字面量，比如函数名、变量值)、IS_STR_PERMANENT(永久值，生命周期大于request)、IS_STR_CONSTANT(常量)、IS_STR_CONSTANT_UNQUALIFIED，这个信息通过flag保存：zval.value->gc.u.flags，后面用到的时候再具体分析。

数组

array是PHP中非常强大的一个数据结构，它的底层实现就是普通的有序HashTable，这里简单看下它的结构，下一节会单独分析数组的实现。

typedef struct _zend_array HashTable;

struct _zend_array {
    zend_refcounted_h gc; //引用计数信息，与字符串相同
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    flags,
                zend_uchar    nApplyCount,
                zend_uchar    nIteratorsCount,
                zend_uchar    reserve)
        } v;
        uint32_t flags;
    } u;
    uint32_t          nTableMask; //计算bucket索引时的掩码
    Bucket           *arData; //bucket数组
    uint32_t          nNumUsed; //已用bucket数
    uint32_t          nNumOfElements; //已有元素数，nNumOfElements <= nNumUsed，因为删除的并不是直接从arData中移除
    uint32_t          nTableSize; //数组的大小，为2^n
    uint32_t          nInternalPointer; //数值索引
    zend_long         nNextFreeElement;
    dtor_func_t       pDestructor;
};

对象/资源

struct _zend_object {
    zend_refcounted_h gc;
    uint32_t          handle;
    zend_class_entry *ce; //对象对应的class类
    const zend_object_handlers *handlers;
    HashTable        *properties; //对象属性哈希表
    zval              properties_table[1];
};

struct _zend_resource {
    zend_refcounted_h gc;
    int               handle;
    int               type;
    void             *ptr;
};

对象比较常见，资源指的是tcp连接、文件句柄等等类型，这种类型比较灵活，可以随意定义struct，通过ptr指向，后面会单独分析这种类型，这里不再多说。

引用

引用是PHP中比较特殊的一种类型，它实际是指向另外一个PHP变量，对它的修改会直接改动实际指向的zval，可以简单的理解为C中的指针，在PHP中通过&操作符产生一个引用变量，也就是说不管以前的类型是什么，&首先会创建一个zend_reference结构，其内嵌了一个zval，这个zval的value指向原来zval的value(如果是布尔、整形、浮点则直接复制原来的值)，然后将原zval的类型修改为IS_REFERENCE，原zval的value指向新创建的zend_reference结构。

struct _zend_reference {
    zend_refcounted_h gc;
    zval              val;
};

结构非常简单，除了公共部分zend_refcounted_h外只有一个val，举个示例看下具体的结构关系：

$a = "time:" . time();      //$a    -> zend_string_1(refcount=1)
$b = &$a;                   //$a,$b -> zend_reference_1(refcount=2) -> zend_string_1(refcount=1)

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