19.PHP內核探索：變量存儲與類型

先回答前面一節的那個問題吧。

<?php
$foo = 10;
$bar = 20;
 
function change() {
    global $foo;
	//echo '函數內部$foo = '.$foo.'<br />';
	//如果不把$bar定義爲global變量，函數體內是不能訪問$bar的
    $bar = 0;
    $foo++;
}
 
change();
echo $foo, ' ', $bar;
?>

程序輸出 11 20。原因是，方法內部無法訪問$bar變量，所以它的值還是20。使用global之後，可以取得$foo的值，自增後$foo的值就是11。

Global的作用是定義全局變量，但是這個全局變量不是應用於整個網站，而是應用於當前頁面，包括include或require的所有文件。

前言中提到變量的三個基本特性，其中的有一個特性爲變量的類型，變量都有特定的類型， 如：字符串、數組、對象等等。編程語言的類型系統可以分爲強類型和弱類型兩種：

強類型語言是一旦某個變量被申明爲某個類型的變量，則在程序運行過程中，該不能將該變量的類型以外的值賦予給它 （當然並不完全如此，這可能會涉及到類型的轉換，後面的小節會有相應介紹），C/C++/Java等語言就屬於這類。

PHP及Ruby，JavaScript等腳本語言屬於弱類型語言：一個變量可以表示任意的數據類型。

PHP之所以成爲一個簡單而強大的語言，很大一部分的原因是它擁有弱類型的變量。 但是有些時候這也是一把雙刃劍，使用不當也會帶來一些問題。就像儀器一樣，越是功能強大， 出現錯誤的可能性也就越大。

在官方的PHP實現內部，所有變量使用同一種數據結構(zval)來保存，而這個結構同時表示PHP中的各種數據類型。 它不僅僅包含變量的值，也包含變量的類型。這就是PHP弱類型的核心。

那zval結構具體是如何實現弱類型的呢，下面我們一起來揭開面紗。

變量存儲結構

PHP在聲明或使用變量的時候，並不需要顯式指明其數據類型。

PHP是弱類型語言，這並不表示PHP沒有類型，在PHP中，存在8種變量類型，可以分爲三類

• * 標量類型：boolean、integer、float(double)、string 
• * 複合類型： array、object 
• * 特殊類型： resource、NULL

官方PHP是用C實現的，而C是強類型的語言，那這是怎麼實現PHP中的弱類型的呢？

變量的值存儲到以下所示zval結構體中。 zval結構體定義在Zend/zend.h文件，其結構如下：

typedef struct _zval_struct zval;
...
struct _zval_struct {
    /* Variable information */
    zvalue_value value;     /* value */
    zend_uint refcount__gc;
    zend_uchar type;    /* active type */
    zend_uchar is_ref__gc;
};

PHP使用這個結構來存儲變量的所有數據。和其他編譯性靜態語言不同， PHP在存儲變量時將PHP用戶空間的變量類型也保存在同一個結構體中。這樣我們就能通過這些信息獲取到變量的類型。

zval結構體中有四個字段，其含義分別爲：

屬性名	含義	默認值
refcount__gc	表示引用計數	1
is_ref__gc	表示是否爲引用	0
value	存儲變量的值
type	變量具體的類型

在PHP5.3之後，引入了新的垃圾收集機制，引用計數和引用的字段名改爲refcount__gc和is_ref__gc。在此之前爲refcount和is__ref。

而變量的值則存儲在另外一個結構體zvalue_value中。值存儲見下面的介紹。

PHP用戶空間指的在PHP語言這一層面，而本書中大部分地方都在探討PHP的實現。 這些實現可以理解爲內核空間。由於PHP使用C實現，而這個空間的範疇就會限制在C語言。 而PHP用戶空間則會受限於PHP語法及功能提供的範疇之內。 例如有些PHP擴展會提供一些PHP函數或者類，這就是向PHP用戶空間導出了方法或類。

變量類型

zval結構體的type字段就是實現弱類型最關鍵的字段了，type的值可以爲： IS_NULL、IS_BOOL、IS_LONG、IS_DOUBLE、IS_STRING、IS_ARRAY、IS_OBJECT和IS_RESOURCE 之一。 從字面上就很好理解，他們只是類型的唯一標示，根據類型的不同將不同的值存儲到value字段。 除此之外，和他們定義在一起的類型還有IS_CONSTANT和IS_CONSTANT_ARRAY。

這和我們設計數據庫時的做法類似，爲了避免重複設計類似的表，使用一個標示字段來記錄不同類型的數據。

變量的值存儲

前面提到變量的值存儲在zvalue_value聯合體中，結構體定義如下：

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;

這裏使用聯合體而不是用結構體是出於空間利用率的考慮，因爲一個變量同時只能屬於一種類型。 如果使用結構體的話將會不必要的浪費空間，而PHP中的所有邏輯都圍繞變量來進行的，這樣的話， 內存浪費將是十分大的。這種做法成本小但收益非常大。

各種類型的數據會使用不同的方法來進行變量值的存儲，其對應賦值方式如下：

1. 一般類型

變量類型	宏	?
boolean	ZVAL_BOOL	布爾型/整型的變量值存儲於(zval).value.lval中，其類型也會以相應的IS_*進行存儲。 Z_TYPE_P(z)=IS_BOOL/LONG; Z_LVAL_P(z)=((b)!=0);
integer	ZVAL_LONG
float	ZVAL_DOUBLE
null	ZVAL_NULL	NULL值的變量值不需要存儲，只需要把(zval).type標爲IS_NULL。 Z_TYPE_P(z)=IS_NULL;
resource	ZVAL_RESOURCE	資源類型的存儲與其他一般變量無異，但其初始化及存取實現則不同。 Z_TYPE_P(z) = IS_RESOURCE; Z_LVAL_P(z) = l;

2. 字符串Sting

字符串的類型標示和其他數據類型一樣，不過在存儲字符串時多了一個字符串長度的字段。

struct {
    char *val;
    int len;
} str;

C中字符串是以\0結尾的字符數組，這裏多存儲了字符串的長度，這和我們在設計數據庫時增加的冗餘字段異曲同工。 因爲要實時獲取到字符串的長度的時間複雜度是O(n)，而字符串的操作在PHP中是非常頻繁的，這樣能避免重複計算字符串的長度， 這能節省大量的時間，是空間換時間的做法。 這麼看在PHP中strlen()函數可以在常數時間內獲取到字符串的長度。 計算機語言中字符串的操作都非常之多，所以大部分高級語言中都會存儲字符串的長度。

3. 數組Array

數組是PHP中最常用，也是最強大變量類型，它可以存儲其他類型的數據，而且提供各種內置操作函數。數組的存儲相對於其他變量要複雜一些， 數組的值存儲在zvalue_value.ht字段中，它是一個HashTable類型的數據。 PHP的數組使用哈希表來存儲關聯數據。哈希表是一種高效的鍵值對存儲結構。PHP的哈希表實現中使用了兩個數據結構HashTable和Bucket。 PHP所有的工作都由哈希表實現，在下節HashTable中將進行哈希表基本概念的介紹以及PHP的哈希表實現。

4. 對象Object

在面嚮對象語言中，我們能自己定義自己需要的數據類型，包括類的屬性，方法等數據。而對象則是類的一個具體實現。 對象有自身的狀態和所能完成的操作。

PHP的對象是一種複合型的數據，使用一種zend_object_value的結構體來存放。其定義如下：

typedef struct _zend_object_value {
    zend_object_handle handle;  //  unsigned int類型，EG(objects_store).object_buckets的索引
    zend_object_handlers *handlers;
} zend_object_value;

PHP的對象只有在運行時纔會被創建，前面的章節介紹了EG宏，這是一個全局結構體用於保存在運行時的數據。 其中就包括了用來保存所有被創建的對象的對象池，EG(objects_store)，而object對象值內容的zend_object_handle域就是當前 對象在對象池中所在的索引，handlers字段則是將對象進行操作時的處理函數保存起來。 這個結構體及對象相關的類的結構_zend_class_entry，後面會介紹到。

PHP的弱變量容器的實現方式是兼容幷包的形式體現，針對每種類型的變量都有其對應的標記和存儲空間。 使用強類型的語言在效率上通常會比弱類型高，因爲很多信息能在運行之前就能確定，這也能幫助排除程序錯誤。 而這帶來的問題是編寫代碼相對會受制約。

PHP主要的用途是作爲Web開發語言，在普通的Web應用中瓶頸通常在業務和數據訪問這一層。不過在大型應用下語言也會是一個關鍵因素。 facebook因此就使用了自己的php實現。將PHP編譯爲C++代碼來提高性能。不過facebook的hiphop並不是完整的php實現， 由於它是直接將php編譯爲C++，有一些PHP的動態特性比如eval結構就無法實現。當然非要實現也是有方法的， hiphop不實現應該也是做了一個權衡。