PHP 底层的运行机制和工作原理

Posted 2022-12-10 知其黑、受其白

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• 阐述
• 一、PHP的设计理念及特点
• • PHP 为什么没有多线程？
  • • 1、PHP 与多线程
    • 2、PHP是单线程，多进程模型
    • 3、 php为什么选择多进程，而不是多线程
    • 4、场景
• 二、PHP 四层体系
• • 1、上层应用
  • 2、Sapi
  • 3、Extensions（扩展）
  • 4、Zend 引擎
• 三、Sapi
• • 1）apache2handler
  • 2）CGI（Common Gateway Interface，公共网关接口）
  • 3）CLI：命令行调用的应用模式
• 四、PHP的执行流程

阐述

php是一种适用于Web开发的动态语言，一个用C语言实现包含大量组件的软件框架。

更狭义点看，可以把它认为是一个强大的UI框架。

了解PHP底层实现的目的是什么?

动态语言要想用好，首先得了解它，内存管理、框架模型、垃圾回收GC等值得我们借鉴，通过扩展开发实现更多更强大的功能，优化我们程序的性能。

一、PHP的设计理念及特点

1、多进程模型

由于PHP是多进程模型，不同请求间互不干涉，这样保证了一个请求挂掉不会对全盘服务造成影响，

当然，随着时代发展，PHP也早已支持多线程模型。

# ps -ef | grep php-fpm
root      1799     1  0  2020 ?        00:14:10 php-fpm: master process (/usr/local/php/etc/php-fpm.conf)
www       4183  1799  0 Feb02 ?        00:00:02 php-fpm: pool www
www       4260  1799  0 Feb02 ?        00:00:02 php-fpm: pool www
www       5840  1799  0 Feb02 ?        00:00:01 php-fpm: pool www
www       5880  1799  0 Feb02 ?        00:00:01 php-fpm: pool www
www       6107  1799  0 Feb02 ?        00:00:01 php-fpm: pool www
www      32441  1799  0 Feb01 ?        00:00:04 php-fpm: pool www
www      32701  1799  0 Feb01 ?        00:00:04 php-fpm: pool www
www      32709  1799  0 Feb01 ?        00:00:04 php-fpm: pool www

2、弱类型语言

和 C/C++、Java、C#等语言不同，PHP是一门弱类型语言。

一个变量的类型并不是一开始就确定不变，运行中才会确定变量类型，并可能发生隐式或显式的类型转换，这种机制的灵活性在web开发中非常方便、高效。

引擎(Zend)+组件(ext)的模式降低内部耦合。

中间层(sapi)隔绝 web server 和 PHP。

语法简单灵活，没有太多规范。

缺点：导致风格混杂，但再差的程序员也不会写出太离谱危害全局的程序。

PHP 为什么没有多线程？

官文：https://www.php.net/manual/zh/intro.pthreads.php

1、PHP 与多线程

PHP的多线程，对于phper是一个较冷门的知识。

相信很多工作了很多年的程序员，没用过php多线程的大有人在。

所以可以认为php是单线程。

多线程示意图：

2、PHP是单线程，多进程模型

多线程有它的优点，

a.可以充分利用cpu，
b.调度的系统开销比进程小，
c.多线程共享内存空间，不需要额外的 IPC 通信。

但多线程可能会引入其他问题，如数据同步，资源竞争， 死锁等，处理不好容易出问题；

多进程也可以使用cpu多核，不一定非要多线程不可，PHP-FPM就是一个C实现的多进程FastCGI服务。对一个请求来说PHP是单线程的，但是多个请求间是并发的，像Apache， nginx 都是多线程处理用户请求的。

PHP中没有线程化，但是通过将HTTP请求用作异步调用可以进行并发编程。

当有很多用户 请求php时，是多个进程来处理用户请求的，瓶颈多数都是读写数据库，文件，session等这些会加锁的地方，而解决这些问题，业界都已经有了很成熟的方案。和php是不是多线程没有什么关系。

3、 php为什么选择多进程，而不是多线程

首先，定位不同，php不像 c++ , java ,定位计算密集场景，php就是为web开发而生的语言，更侧重开发效率。

web应用就是IO密集型的场景，数据库操作，文件读写，网络 IO，这些对于系统的进程调度，进程切换消耗时间都要大得多，所以phper在写代码的时候，没必要把精力放到性能上，而是功能的实现，虽然很多人说php不适合大型应用，应对高并发场景乏力，确实以前是有这样的问题，但是现在php在处理大数据，高并发都有了很成熟的解决方案。

那么问题来了，php有这样的缺陷 ，这样一门语言，我们如何取舍，还要不要用呢？

首先，php开发效率高，上手容易，保证一用你就会爱上它，如果结合其他性能较高的语言，可以扬长避短；

另外，php现在有了swoole 、workerman这些高性能的扩展，这些都是常驻内存的，性能很高，对性能要求高的场景可以用，对phper来说就是无缝接入完全没有门槛。

最后，对于大多数程序员来说，换个go java这些原生就支持多线程的语言，也不是什么难事。

4、场景

我和很多phper一样，如果问我，有什么场景，必须要php多线程来实现呢？

php也有多线程 pthreads 扩展，PHP 默认并不支持多线程，要使用多线程需要安装 pthread 扩展，而要安装 pthread 扩展，必须使用 –enable-maintainer-zts 参数重新编译 PHP，这个参数是指定编译 PHP 时使用线程安全方式。

如果有用过java之类语言的多线程，用起来php多线程也是信手拈来的事情。

二、PHP 四层体系

从图上可以看出，PHP从上到下是一个4层体系：

1、上层应用

这就是我们平时编写的PHP程序，通过不同的 sapi 方式得到各种各样的应用模式，如通过webserver实现web应用、在命令行下以脚本方式运行等等。

如果PHP是一辆车，那么车的框架就是PHP本身，Zend是车的引擎(发动机)，Ext下面的各种组件就是车的轮子，Sapi 可以看做是公路， 车可以跑在不同类型的公路上，而一次PHP程序的执行就是汽车跑在公路上。

因此，我们需要：性能优异的引擎+合适的车轮+正确的跑道。

2、Sapi

Sapi（Server Application Programming Interface，服务端应用编程接口）是通过一系列钩子函数，使得PHP可以和外围交互数据，这是PHP非常优雅和成功的一个设计，通过 sapi 成功的将PHP本身和上层应用解耦隔离，PHP可以不再考虑如何针对不同应用进行兼容，而应用本身也可以针对自己的特点实现不同的处理方式。

3、Extensions（扩展）

围绕着 Zend 引擎，extensions 通过组件式的方式提供各种基础服务，我们常见的各种内置函数(如 array 系列)、标准库等都是通过 extension 来实现，用户也可以根据需要实现自己的extension以达到功能扩展、性能优化等目的(如贴吧正在使用的 PHP中间层、富文本解析就是extension的典型应用)。

4、Zend 引擎

Zend整体用纯C实现，是PHP的内核部分，它将 php代码翻译(词法、语法解析等一系列编译过程)为可执行opcode 的处理并实现相应的处理方法、实现了 基本的数据结构(如hashtable、OOP面向对象)、内存分配及管理、提供了相应的api方法供外部调用， 是一切的核心，所有的外围功能均围绕 Zend 实现。

三、Sapi

如前所述，Sapi 通过通过一系列的接口，使得外部应用可以和PHP交换数据并可以根据不同应用特点实现特定的处理方法，我们常见的一些 sapi 有：

1）apache2handler

这是以 apache 作为 webserver，采用 mod_PHP 模式运行时候的处理方式，也是现在应用最广泛的一种。

2）CGI（Common Gateway Interface，公共网关接口）

这是webserver和PHP直接的另一种交互方式，也就是大名鼎鼎的 fastcgi 协议，在最近今年 fastcgi+PHP（PHP-FPM）得到越来越多的应用，也是异步webserver所唯一支持的方式。

典型应用nginx服务器，fastcgi 说白点就是 php的一个扩展。

• Web Server启动时载入FastCGI进程管理器（IIS ISAPI或Apache Module)。
• FastCGI 进程管理器自身初始化，启动多个CGI解释器进程(可见多个php-cgi)并等待来自Web Server的连接。
• 当客户端请求到达Web Server时，FastCGI进程管理器选择并连接到一个CGI解释器。Web server将CGI环境变量和标准输入发送到FastCGI子进程php-cgi。
• FastCGI子进程完成处理后将标准输出和错误信息从同一连接返回Web Server。当FastCGI子进程关闭连接时，请求便告处理完成。FastCGI子进程接着等待并处理来自FastCGI进程管理器(运行在Web Server中)的下一个连接。 在CGI模式中，php-cgi在此便退出了。
• 在上述情况中，你可以想象CGI通常有多慢。每一个Web请求PHP都必须重新解析php.ini、重新载入全部扩展并重初始化全部数据结构。使用FastCGI，所有这些都只在进程启动时发生一次。一个额外的好处是，持续数据库连接(Persistent database connection)可以工作。

3）CLI：命令行调用的应用模式

CLI（Ccommand-Line Interface，命令行界面）是在图形用户界面得到普及之前使用最为广泛的用户界面，它通常不支持鼠标，用户通过键盘输入指令，计算机接收到指令后，予以执行。

也有人称之为字符用户界面（CUI）。

通常认为，命令行界面（CLI）没有图形用户界面（GUI）那么方便用户操作。因为，命令行界面的软件通常需要用户记忆操作的命令，但是，由于其本身的特点，命令行界面要较图形用户界面节约计算机系统的资源。

在熟记命令的前提下，使用命令行界面往往要较使用图形用户界面的操作速度要快。所以，图形用户界面的操作系统中，都保留着可选的命令行界面。

四、PHP的执行流程

我们先来看看PHP代码的执行所经过的流程。

从图上可以看到，PHP实现了一个典型的动态语言执行过程： 拿到一段代码后，经过词法解析、语法解析等阶段后，源程序会被翻译成一个个指令 (opcodes)，然后ZEND虚拟机顺次执行这些指令完成操作。

PHP本身是用C实现的，因此最终调用的也都是C的函数，实际上，我们可以把PHP看做是一个C开发的软件。

PHP的执行的核心是翻译出来的一条一条指令，也即是Opcode 是PHP程序执行的最基本单位。

一个 opcode 由两个参数(op1,op2)、返回值和处理函数组成。

PHP程序最终被翻译为一组opcode处理函数的顺序执行。