### 3.3.4 全局execute_data和opline Zend执行器在opcode的执行过程中,会频繁的用到execute_data和opline两个变量,execute_data为zend_execute_data结构,opline为当前执行的指令。普通的处理方式在执行每条opcode指令的handler时,会把execute_data地址作为参数传给handler使用,使用时先从当前栈上获取execute_data地址,然后再从堆上获取变量的数据,这种方式下Zend执行器展开后是下面这样: ```c ZEND_API void execute_ex(zend_execute_data *ex) { zend_execute_data *execute_data = ex; while (1) { int ret; if (UNEXPECTED((ret = ((opcode_handler_t)execute_data->opline->handler)(execute_data)) != 0)) { if (EXPECTED(ret > 0)) { execute_data = EG(current_execute_data); } else { return; } } } } ``` 执行器实际是一个大循环,从第一条opcode开始执行,execute_data->opline指向当前执行的指令,执行完以后指向下一条指令,opline类似eip(或rip)寄存器的作用。通过这个循环,ZendVM完成opcode指令的执行。opcode执行完后以后指向下一条指令的操作是在当前handler中完成,也就是说每条执行执行完以后会主动更新opline,这里会有下面几个不同的动作: ```c #define ZEND_VM_CONTINUE() return 0 #define ZEND_VM_ENTER() return 1 #define ZEND_VM_LEAVE() return 2 #define ZEND_VM_RETURN() return -1 ``` ZEND_VM_CONTINUE()表示继续执行下一条opcode;ZEND_VM_ENTER()/ZEND_VM_LEAVE()是调用函数时的动作,普通模式下ZEND_VM_ENTER()实际就是return 1,然后execute_ex()中会将execute_data切换到被调函数的结构上,对应的,在函数调用完成后ZEND_VM_LEAVE()会return 2,再将execute_data切换至原来的结构;ZEND_VM_RETURN()表示执行完成,返回-1给execute_ex(),比如exit,这时候execute_ex()将退出执行。下面看一个具体的例子: ```php $a = "hi~"; echo $a; ``` 执行过程如下图所示: ![](https://box.kancloud.cn/5e3062f5b2f1c3bcfd9dae1c82981cfd_596x189.png) 以ZEND_ASSIGN这条赋值指令为例,其handler展开前如下: ```c static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS) { USE_OPLINE ... ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION(); } ``` 所有opcode的handler定义格式都是相同的,其参数列表通过ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS宏定义,展开后实际只有一个execute_data,展开后: ```c static int ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_HANDLER(zend_execute_data *execute_data) { //USE_OPLINE const zend_op *opline = execute_data->opline; ... //ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION() execute_data->opline = execute_data->opline + 1; return 0; } ``` 从这个例子可以很清楚的看到,执行完以后会将execute_data->opline加1,也就是指向下一条opcode,然后返回0给execute_ex(),接着执行器在下一次循环时执行下一条opcode,依次类推,直至所有的opcode执行完成。这个处理过程比较简单,并没有不好理解的地方,而且整个过程看起来也都那么顺理成章。PHP7针对execute_data、opline两个变量的存储位置进行了优化,那就是使用全局寄存器保存这两个变量的地址,以实现更高效率的读取。这种方式下execute_data、opline直接从寄存器读取地址,在性能上大概有5%的提升(官方说法)。在分析PHP7的优化之前,我们先简单介绍下什么是寄存器变量。 寄存器变量存放在CPU的寄存器中,使用时,不需要访问内存直接从寄存器中读写,与存储在内存中的变量相比,寄存器变量具有更快的访问速度,在计算机的存储层次中,寄存器的速度最快,其次是内存,最慢的是硬盘。C语言中使用关键字register来声明局部变量为寄存器变量,需要注意的是,只有局部自动变量和形式参数才能够被定义为寄存器变量,全局变量和局部静态变量都不能被定义为寄存器变量。而且,一个计算机中寄存器数量是有限的,一般为2到3个,因此寄存器变量的数量不能太多。对于在一个函数中说明的多于2到3个的寄存器变量,C编译程序会自动地将寄存器变量变为自动变量。 受硬件寄存器长度的限制,寄存器变量只能是char、int或指针型,而不能使其他复杂数据类型。由于register变量使用的是硬件CPU中的寄存器,寄存器变量无地址,所以不能使用取地址运算符"&"求寄存器变量的地址。 GCC从4.8.0版本开始支持了另外一项特性:全局寄存器变量(Global Register Variables,[详细介绍](https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-6.1.0/gcc/Global-Register-Variables.html)),也就是可以把全局变量定义为寄存器变量,从而可以实现函数间共享数据。可以通过下面的语法告诉编译器使用寄存器来保存数据: ```c register int *foo asm ("r12"); //r12、%r12 ``` 或者: ```c register int *foo __asm__ ("r12"); //r12、%r12 ``` 这里r12就是指定使用的寄存器,它必须是运行平台上有效的寄存器,这样就可以像使用普通的变量一样使用foo,但是foo同样没有地址,也就是无法通过&获取它的地址,在gdb调试时也无法使用foo符号,只能使用对应的寄存器获取数据。举个例子来看: ```c //main.c #include <stdlib.h> typedef struct _execute_data { int ip; }zend_execute_data; register zend_execute_data* execute_data __asm__ ("%r14"); int main(void) { execute_data = (zend_execute_data *)malloc(sizeof(zend_execute_data)); execute_data->ip = 9999; return 0; } ``` 编译:`$ gcc -o main -g main.c`,然后通过gdb看下: ```sh $ gdb main (gdb) break main (gdb) r Starting program: /home/qinpeng/c/php/main Breakpoint 1, main () at main.c:12 12 execute_data = (zend_execute_data *)malloc(sizeof(zend_execute_data)); (gdb) n 13 execute_data->ip = 9999; (gdb) n 15 return 0; ``` 这时我们就无法再像普通变量那样直接使用execute_data访问数据,只能通过r14寄存器读取: ```sh (gdb) p execute_data Missing ELF symbol "execute_data". (gdb) info register r14 r14 0x601010 6295568 (gdb) p ((zend_execute_data *)$r14)->ip $3 = 9999 ``` 了解完全局寄存器变量,接下来我们再回头看下PHP7中的用法,处理也比较简单,就是在execute_ex()执行各opcode指令的过程中,不再将execute_data作为参数传给handler,而是通过寄存器保存execute_data及opline的地址,handler使用时直接从全局变量(寄存器)读取,执行完再把下一条指令更新到全局变量。 该功能需要GCC 4.8+支持,默认开启,可以通过 --disable-gcc-global-regs 编译参数关闭。以x86_64为例,execute_data使用r14寄存器,opline使用r15寄存器: ```c //file: zend_execute.c line: 2631 # define ZEND_VM_FP_GLOBAL_REG "%r14" # define ZEND_VM_IP_GLOBAL_REG "%r15" //file: zend_vm_execute.h line: 315 register zend_execute_data* volatile execute_data __asm__(ZEND_VM_FP_GLOBAL_REG); register const zend_op* volatile opline __asm__(ZEND_VM_IP_GLOBAL_REG); ``` execute_data、opline定义为全局变量,下面看下execute_ex()的变化,展开后: ```c ZEND_API void execute_ex(zend_execute_data *ex) { const zend_op *orig_opline = opline; zend_execute_data *orig_execute_data = execute_data; //将当前execute_data、opline保存到全局变量 execute_data = ex; opline = execute_data->opline while (1) { ((opcode_handler_t)opline->handler)(); if (UNEXPECTED(!opline)) { execute_data = orig_execute_data; opline = orig_opline; return; } } } ``` 这个时候调用各opcode指令的handler时就不再传入execute_data的参数了,handler使用时直接从全局变量读取,仍以上面的赋值ZEND_ASSIGN指令为例,handler展开后: ```c static int ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_HANDLER(void) { ... //ZEND_VM_NEXT_OPCODE_CHECK_EXCEPTION() opline = execute_data->opline + 1; return; } ``` 当调用函数时,会把execute_data、opline更新为被调函数的,然后回到execute_ex()开始执行被调函数的指令: ```c # define ZEND_VM_ENTER() execute_data = EG(current_execute_data); LOAD_OPLINE(); ZEND_VM_CONTINUE() ``` 展开后: ```c //ZEND_VM_ENTER() execute_data = execute_data->current_execute_data; opline = execute_data->opline; return; ``` 这两种处理方式并没有本质上的差异,只是通过全局寄存器变量提升了一些性能。 > __Note:__ automake编译时的命令是cc,而不是gcc,如果更新gcc后发现PHP仍然没有支持这个特性,请检查下cc是否指向了新的gcc