PHP，是世界上使用最广泛的Web编程语言之一。从1995年诞生到现在，PHP已经经历了二十多年的发展。

2015年12月，PHP 7.0正式发布，带来了性能的巨大提升——相比PHP 5.6，性能提升了将近一倍，内存消耗也大幅降低。PHP 7的发布，是PHP发展史上的一个重要里程碑。

2017年11月，PHP 7.2正式发布，带来了更多的新特性和性能优化。而PHP 7.3，也在紧锣密鼓地开发中，预计2018年底发布。

我做PHP开发已经有很多年了，从PHP 5.3用到PHP 7.2，见证了PHP的不断进化。但是，很长一段时间里，我对PHP的底层机制了解得不够深入，只知道怎么用，不知道为什么这么用。后来，我花了一些时间，研究了PHP的源码和底层原理，对PHP有了更深的理解。

今天，我想分享一下我对PHP 7.2/7.3底层机制的理解，包括Zend引擎的执行流程、内存管理、垃圾回收、Opcode编译、以及PHP 7.2/7.3的新特性和性能优化。希望能帮助你深入理解PHP的底层原理，写出更高性能的PHP代码。

一、PHP的执行流程

在深入底层机制之前，先搞清楚一个基本问题：一段PHP代码，是怎么被执行的？

PHP是一门解释型语言，但是它不是直接解释执行源代码，而是先把源代码编译成Opcode（中间字节码），然后由Zend虚拟机执行Opcode。

PHP的执行流程，大致分为以下几个阶段：

1. 词法分析（Lexing）

首先，PHP的源代码会被词法分析器（基于re2c生成）扫描，把源代码转换成一个个的Token（标记）。比如，echo "hello";会被转换成TECHO、TCONSTANTENCAPSEDSTRING、';'等Token。

2. 语法分析（Parsing）

然后，语法分析器（基于Bison生成）会把Token流，按照PHP的语法规则，转换成抽象语法树（AST，Abstract Syntax Tree）。AST是源代码的树形表示，每个节点代表一个语法结构。

PHP 7.0之前，语法分析的结果直接生成Opcode，没有AST这一步。PHP 7.0引入了AST，让语法分析和Opcode生成分离，代码更清晰，也更容易维护和扩展。

3. 编译（Compilation）

接下来，编译器会遍历AST，把每个节点编译成对应的Opcode。Opcode是Zend虚拟机可以执行的中间指令，类似于Java的字节码。

比如，echo "hello";会被编译成ECHO opcode。$a = 1 + 2;会被编译成ADD、ASSIGN等opcode。

4. 执行（Execution）

最后，Zend虚拟机会执行编译好的Opcode。Zend虚拟机是一个基于栈的虚拟机，执行Opcode的时候，会在一个执行栈上进行操作。

为了提高性能，PHP会把编译好的Opcode缓存起来（比如用OPcache扩展），这样下次执行同一个脚本的时候，就不需要重新编译了，直接执行缓存的Opcode，性能会好很多。

二、Zend虚拟机和Opcode

Zend虚拟机，是PHP的核心，负责执行Opcode。

Zend虚拟机是一个基于栈的虚拟机。执行Opcode的时候，会用到两个重要的栈：

  • 执行栈（Execution Stack）：用于存放操作数和临时变量。
  • 调用栈（Call Stack）：用于函数调用，存放函数的调用帧（Stack Frame）。

每个Opcode，对应Zend虚拟机中的一个处理函数。执行的时候，Zend虚拟机会取出下一个Opcode，调用对应的处理函数，然后继续执行下一个Opcode，直到程序结束。

PHP的Opcode有很多种，大概有100多个，涵盖了变量赋值、算术运算、逻辑运算、函数调用、控制流等各种操作。

你可以用vld扩展，来查看一段PHP代码编译后的Opcode。比如：

<?php
$a = 1;
$b = 2;
$c = $a + $b;
echo $c;

用vld查看，编译后的Opcode大概是这样的：

line     #* E I O op                           fetch          ext  return  operands
-------------------------------------------------------------------------------------
   3     0  E >   ASSIGN                                                   !0, 1
   4     1        ASSIGN                                                   !1, 2
   5     2        ADD                                              ~2      !0, !1
         3        ASSIGN                                                   !2, ~2
   6     4        ECHO                                                     !2
         5      > RETURN                                                   1

通过查看Opcode，你可以更深入地理解PHP代码的执行过程，也能发现一些性能问题。比如，有些写法看起来简洁，但是编译后的Opcode更多，执行更慢。

三、PHP的变量实现：zval

在PHP中，变量是用zval（Zend value）结构来表示的。zval是PHP中最基础的数据结构，所有的变量、常量、函数参数、返回值，都是用zval来表示的。

zval的结构，大致是这样的（简化版）：

struct _zval_struct {
    zend_value value;        // 值
    union {
        struct {
            zend_uchar type;  // 类型
            zend_uchar type_flags;
            zend_uchar const_flags;
            zend_uchar reserved;
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u1;
    union {
        uint32_t var_flags;
        uint32_t next;       // 哈希表冲突链
        uint32_t cache_slot; // 运行时缓存
        uint32_t lineno;
        uint32_t num_args;
        uint32_t fe_pos;
        uint32_t fe_iter_idx;
    } u2;
};

zval的核心是value和type。value是一个联合体，可以存放不同类型的值（整数、浮点数、字符串、数组、对象等），type表示这个zval的类型。

PHP 7对zval做了重要的优化。在PHP 5中，zval是单独在堆上分配的，而且总是通过指针引用，这导致了很多内存分配和引用计数的开销。PHP 7中，zval可以直接嵌入到其他结构中（比如哈希表的bucket），不需要单独分配内存，而且很多简单类型（整数、浮点数）不需要引用计数，直接拷贝就行。这大大提高了性能，减少了内存消耗。

PHP的变量类型，包括：

  • IS_NULL：空值
  • ISFALSE / ISTRUE：布尔值
  • IS_LONG：整数
  • IS_DOUBLE：浮点数
  • IS_STRING：字符串
  • IS_ARRAY：数组
  • IS_OBJECT：对象
  • IS_RESOURCE：资源
  • IS_REFERENCE：引用

对于简单类型（NULL、布尔、整数、浮点数），zval直接存放值，拷贝的时候直接拷贝值，不需要引用计数。对于复杂类型（字符串、数组、对象、资源），zval存放的是一个指针，指向实际的数据结构，拷贝的时候默认是引用拷贝（共享同一份数据，引用计数加1），修改的时候才会复制（写时复制，Copy on Write）。

四、内存管理

PHP的内存管理，是分层的。最底层是系统的内存分配（malloc/free），上面是Zend的内存管理器（Zend Memory Manager，简称ZendMM），再上面是PHP的各种缓存和分配器。

Zend内存管理器（ZendMM）

ZendMM是PHP的内存管理核心，它在系统malloc的基础上，做了一层封装，提供了更高效的内存分配和释放。

ZendMM的特点：

  1. 内存池：ZendMM会预先向系统申请一大块内存，然后在这块内存上进行分配，减少系统调用的次数。
  2. 生命周期管理：PHP的内存，大部分是请求级别的。也就是说，一次请求结束后，所有在这次请求中分配的内存，都会被一次性释放。ZendMM会跟踪所有分配的内存，请求结束时统一释放，不需要手动free，也不会有内存泄漏。
  3. 内存对齐：ZendMM分配的内存是对齐的，提高访问效率。
  4. 调试支持：ZendMM支持内存泄漏检测、越界检测等调试功能。

在PHP中，你一般不需要手动管理内存，ZendMM会帮你处理。但是，了解ZendMM的原理，能帮助你写出更高效的代码，避免一些内存问题。

写时复制（Copy on Write）

PHP的复杂类型（字符串、数组、对象），默认使用写时复制（COW）机制。也就是说，当你把一个变量赋值给另一个变量的时候，不会立即复制数据，而是两个变量共享同一份数据，引用计数加1。只有当其中一个变量被修改的时候，才会真正复制一份数据出来。

比如：

$a = [1, 2, 3];  // 数组的引用计数是1
$b = $a;          // 数组的引用计数变成2，$a和$b共享同一份数据
$b[] = 4;         // $b被修改，这时候才复制一份数据出来，$a的引用计数变回1，$b指向新的副本

COW机制，能大大减少内存的使用，因为很多时候，变量只是被读取，不会被修改，共享数据就够了。只有在修改的时候，才需要复制。

五、垃圾回收（GC）

PHP的垃圾回收，主要是用来处理循环引用的问题。

在PHP 5.3之前，PHP的引用计数机制，无法处理循环引用。比如：

$a = [];
$a[] = &$a;  // $a引用了自己，形成循环引用
unset($a);   // 虽然unset了，但是因为循环引用，引用计数不会变成0，内存无法释放

这种循环引用，会导致内存泄漏。PHP 5.3引入了新的垃圾回收机制（GC），专门用来处理循环引用。

PHP的GC算法，是基于引用计数的，但是增加了一个"根缓冲区"（root buffer）和周期性的回收算法。

GC的工作原理：

  1. 根缓冲区：当一个zval的引用计数增加，并且可能形成循环引用的时候，会被放入根缓冲区。
  2. 标记阶段：当根缓冲区满了（默认10000个），或者手动触发gccollectcycles()的时候，GC会启动。GC会遍历根缓冲区中的每个zval，模拟删除它，然后看引用计数是否变成0。如果变成0，说明这个zval是循环引用的一部分，可以被回收。
  3. 清除阶段：标记完成后，GC会把所有可以回收的循环引用，真正删除，释放内存。

PHP的GC，默认是开启的。你可以通过php.ini中的zend.enablegc来开启或关闭，也可以在代码中用gcenable()和gc_disable()来控制。

需要注意的是，GC只处理循环引用，普通的引用计数还是由Zend引擎自己处理。而且，GC的回收是有开销的，所以PHP不会每次都回收，而是等根缓冲区满了才回收。

在PHP 7中，GC的性能有了很大的提升。PHP 7.2还对GC做了进一步的优化，减少了GC的开销。

六、PHP 7.2的新特性

PHP 7.2在2017年11月正式发布，带来了很多新特性和改进。下面介绍几个重要的：

1. 对象类型（object type）

PHP 7.2新增了object类型，可以用来声明参数和返回值的类型为对象。

function foo(object $obj): object {
    return $obj;
}

在PHP 7.2之前，如果你想限制参数必须是对象，只能用某个具体的类名，或者用stdClass。现在有了object类型，可以更通用地表示任何对象。

2. 抽象方法重写（Abstract Method Override）

PHP 7.2允许抽象类继承另一个抽象类的时候，重写父类的抽象方法。

abstract class A {
    abstract function foo(string $s);
}

abstract class B extends A {
    abstract function foo($s); // 可以去掉类型声明，或者放宽限制
}

在PHP 7.2之前，这样写会报错。现在允许了，只要子类的方法签名比父类更宽松就行。

3. 参数类型扩展（Parameter Type Widening）

PHP 7.2允许子类在重写父类方法的时候，去掉参数的类型声明（也就是放宽参数类型）。

class A {
    public function foo(string $s) {}
}

class B extends A {
    public function foo($s) {} // 可以去掉string类型声明
}

这符合里氏替换原则（LSP），子类的参数类型可以比父类更宽松。

4. 密码哈希算法扩展

PHP 7.2新增了对Argon2密码哈希算法的支持。Argon2是2015年密码哈希竞赛的获胜者，比bcrypt更安全。

password_hash("password", PASSWORD_ARGON2I);

需要注意的是，Argon2需要PHP在编译的时候加上--with-password-argon2选项，并且系统需要安装libargon2库。

5. 废弃的特性

PHP 7.2废弃了一些旧的特性：

  • __autoload()方法被废弃，推荐用splautoloadregister()。
  • create_function()被废弃，推荐用匿名函数。
  • parse_str()不带第二个参数的用法被废弃。
  • assert()的字符串参数被废弃。

这些废弃的特性，在PHP 7.2中会发出E_DEPRECATED警告，在未来的版本中会被移除。

七、PHP 7.3的展望

PHP 7.3目前还在开发中，预计2018年底发布。从目前的开发进度来看，PHP 7.3会带来以下一些新特性和改进：

1. 灵活的Heredoc和Nowdoc语法

PHP 7.3改进了Heredoc和Nowdoc的语法，允许结束标记有缩进，并且结束标记后面不需要换行。

// PHP 7.3之前，结束标记必须在行首，后面必须换行
$str = <<<CODE
    hello
    world
CODE;

// PHP 7.3，结束标记可以有缩进
$str = <<<CODE
    hello
    world
    CODE;

这个改进，让Heredoc/Nowdoc在缩进的代码中更美观。

2. JSONTHROWON_ERROR

PHP 7.3新增了JSONTHROWONERROR选项，让jsonencode和jsondecode在出错的时候抛出异常，而不是返回false然后用jsonlast_error()检查。

try {
    json_decode("invalid json", true, 512, JSON_THROW_ON_ERROR);
} catch (JsonException $e) {
    echo $e->getMessage();
}

这个改进，让JSON错误处理更现代化，也更符合PHP 7的异常处理风格。

3. list()中的引用赋值

PHP 7.3允许在list()（或者[]解构）中使用引用赋值。

$arr = [1, 2];
list($a, &$b) = $arr;  // PHP 7.3允许
$b = 3;
// $arr[1] 现在是3

4. is_countable()函数

PHP 7.3新增了is_countable()函数，用来检查一个变量是否是可数的（数组或者实现了Countable接口的对象）。

if (is_countable($var)) {
    count($var);
}

在PHP 7.2中，count()一个不可数的变量会发出警告。有了is_countable()，可以更方便地检查。

5. 性能改进

PHP 7.3还会带来一些性能改进，包括：

  • 优化了字符串处理函数。
  • 改进了GC的性能。
  • 优化了Opcode的编译和执行。
  • 减少了内存分配的开销。

虽然PHP 7.3的性能提升可能不像PHP 7.0那么巨大，但是还是会有一定的提升。

八、性能优化建议

了解了PHP的底层机制之后，我们来看看一些性能优化的建议：

1. 使用OPcache

这是最重要、最简单的性能优化。OPcache会把PHP编译后的Opcode缓存起来，避免每次请求都重新编译。开启OPcache，通常能带来2-3倍的性能提升。

在php.ini中配置：

opcache.enable=1
opcache.memory_consumption=128
opcache.interned_strings_buffer=8
opcache.max_accelerated_files=10000
opcache.revalidate_freq=2

2. 避免不必要的数组复制

PHP的数组使用写时复制，但是如果你在循环中不断修改数组，可能会触发多次复制。尽量在循环外初始化数组，避免在循环中频繁修改大数组。

3. 使用引用传递大数组

如果你需要在函数中处理大数组，并且不需要保留原数组，可以用引用传递，避免复制。

function process(array &$arr) {
    // 处理$arr
}

但是要注意，引用传递会改变原数组，使用的时候要小心。

4. 预定义字符串长度

在拼接大量字符串的时候，预先分配好长度，可以减少内存重新分配的次数。

5. 避免在循环中做重复的计算

把循环中不变的计算提到循环外面。比如：

// 不好的写法
for ($i = 0; $i < count($arr); $i++) {
    // ...
}

// 好的写法
$count = count($arr);
for ($i = 0; $i < $count; $i++) {
    // ...
}

6. 使用PHP 7的标量类型声明和返回值类型声明

类型声明不仅能让代码更安全，还能帮助PHP引擎做一些优化。

7. 尽量用PHP 7.2或更高版本

每个PHP版本的发布，都会带来性能改进。尽量使用最新的稳定版本，能获得更好的性能和安全性。

九、写在最后

PHP 7的发布，是PHP发展史上的一次重大变革。它不仅带来了性能的巨大提升，还引入了很多现代语言特性，让PHP变得更严谨、更高效、更现代化。

PHP 7.2和即将到来的PHP 7.3，在PHP 7.0的基础上，继续改进和完善，带来了更多的新特性和性能优化。作为PHP开发者，我们应该跟上PHP的发展步伐，了解新版本的特性，写出更高质量、更高性能的PHP代码。

深入理解PHP的底层机制，包括Zend引擎、Opcode、zval、内存管理、垃圾回收等，能帮助我们更好地使用PHP，写出更高效的代码，也能在遇到问题的时候，更快地定位和解决。

当然，PHP的底层机制很复杂，一篇文章不可能讲得很全面。这篇文章只是一个入门，如果你想深入学习，建议阅读PHP的源码，或者参考一些深入的书籍和文章。

最后，用一句话来结束这篇文章："知其然，更要知其所以然。了解PHP的底层机制，能让你从一个只会用PHP的开发者，变成一个真正懂PHP的专家。"

希望这篇文章，能帮助你深入理解PHP 7.2/7.3的底层机制。如果你有不同的观点或者补充，欢迎在评论区留言，我们一起交流。