【PHP源码学习】2019-04-03 PHP类与对象

baiyan

类的存储

• 谈到PHP中的类，我们知道，类是对象的抽象，是所有通过它new出来对象的模板，它是编译阶段的产物。一个类被抽象出来，它本身有自己的属性、方法等等要素。如果让我们自己去用C语言实现一个类的存储结构，我们如何设计？
• 类的几大要素：类常量、普通属性、静态属性、方法
• 类作用域：所有对象之间共享，如类常量、静态属性、方法
• 对象作用域：所有对象之间独享，如普通属性、动态属性
• 下面我们逐个来看究竟它们是被如何存储的：

类常量的存储

• 在PHP7中，使用一个叫做zend_class_entry的结构体来存储类的相关数据。
• 类常量不能被修改，属于类作用域，以const关键字标识，所有对象共享一份类常量。
• 首先我们举一个PHP类常量的例子：

class A{
    const PI = 3.14;
}

• 这里的PI就是一个类常量。常量名为PI，常量值为3.14。我们可以用两种方式来访问它：
• 类外：A::PI
• 类内：self::PI
• 那么我们看一下常量的存储结构：

struct _zend_class_entry {
    ...
    HashTable constants_table; //常量哈希表，key为常量名，value为常量值
    ...
};

• 在PHP7中，类是以一个zend_class_entry结构体来存储的。其中这个constants_table字段，就是用来存储类常量的。我们知道，常量是属于类作用域的，而不是对象作用域，所以它的值被直接放在类结构体中。它是一个hashtable，其中key为常量名，value为常量值。当访问某个常量值的时候，我们可以直接根据常量的名字作为key，到hashtable中查找对应的常量值即可，这里还是很好理解的。

普通属性的存储

• 普通属性属于对象作用域，每个对象的属性值可以不同，因为我们现在讲的是类，所以我们在类作用域下讲解一下和普通属性相关的数据在类结构中，究竟在哪里有所体现。
• 举一个PHP普通属性的例子：

class A{
    public $name = 'jby';
}

• 这里name就是属性名，它有一个初始化值为jby，也有两种访问方式：
• 类内部：$this->name
• 类外部：对象->name
• 下面看一下在类结构zend_class_entry中，与普通属性存储相关的字段：

struct _zend_class_entry {
    ...
    int default_properties_count; //普通属性的数量总和
    ...
    zval *default_properties_table; //存放普通属性的初始化值的数组
    ...
    HashTable properties_info; //存储对象属性的信息哈希表，key为属性名，value为zend_property_info结构体
    ... 
}

• int default_properties_count字段存储一个类中所有普通属性的数量之和
• 我们知道，由于普通属性是对象作用域，所以每一个对象下的普通属性值是不同的，所以针对不同对象的属性值，需要放在具体不同对象的结构中去存储。但是，由于PHP允许普通属性具有初始化值（如上例的jby），而这个初始化值在所有对象实例中共享，故初始化值可以放在类作用域中进行存储。所以初始化的值（如上例的jby）可以直接存储在类结构体下的zval *default_properties_table这个zval数组中，这个zval就指向一个zend_string，其值为jby。
• 然后我们看具体每个对象中属性的存储。由于普通属性有访问权限（public/protected/private）等额外信息需要存储，所以在类作用域内，存储普通属性的信息需要一个结构体，而且是一个普通属性就要对应一个结构体来存储它的信息。。
• 在类结构zend_class_entry中，我们使用HashTable properties_info这个字段来存储普通属性的信息，而这个字段是一个hashtable，它的key为属性名，value为一个结构体，它就是用来存储每一个普通属性的信息的，叫做zend_property_info。每一个属性，就会对应一个zend_property_info结构：

typedef struct _zend_property_info {
    uint32_t offset; //表示普通属性的内存偏移值或静态属性的数组索引
    uint32_t flags;  //属性掩码，如public、private、protected及是否为静态属性
    zend_string *name; //属性名
    zend_string *doc_comment; //文档注释信息
    zend_class_entry *ce; //所属类
} zend_property_info;

//flags标识位
#define ZEND_ACC_PUBLIC     0x100
#define ZEND_ACC_PROTECTED  0x200
#define ZEND_ACC_PRIVATE    0x400
#define ZEND_ACC_STATIC      0x01

• 我们看这个存储普通属性信息的结构体。下面的属性名等字段我们很容易理解，那么重点则是这个offset字段。由于类作用域是不能确定每个对象中普通属性的值的（不同对象属性值不同），所以普通属性的值会在对象存储结构zend_object中以数组的形式存储（其实是一个柔性数组，后面会讲到）。它的字面意义是偏移量，那么这个偏移量是相对于谁的偏移量呢？答案就是相对于上述的存储值的数组的偏移量，这个偏移量是以一个zval大小（16）递增的（下面讲到对象结构的时候会具体讲）

静态属性的存储

• 静态属性也属于类作用域，以static关键字标识，所有对象共享类中的静态属性。所以在类结构zend_class_entry中，就可以直接将静态属性的值存到这个类结构中，静态属性的使用示例如下：

class A{
    static $instance = null;
}

• 访问静态属性也有两种方式：
• 类内部：self::$instance
• 类外部：A::$instance
• 静态属性在所有对象中共享，所以在类作用域中，可以直接存储它的值：

struct _zend_class_entry {
    ...
    int default_static_members_count;    //静态属性数量总和
    ...
    zval *default_static_members_table;  //存放静态属性初始化值的数组
    zval *static_members_table; //存放静态属性值的数组
    ...
    HashTable properties_info; //存储对象属性的信息哈希表，key为属性名，value为zend_property_info结构体
    ...
}

• int default_static_members_count字段存储一个类中所有静态属性的数量之和
• default_static_members_table用来存放静态属性的初始化值，这一点和普通属性初始化值的存放是相同思想，不再赘述
• static_members_table用来直接存放静态属性的值
• HashTable properties_info同样也是一个key为属性名，value为zend_porperty_info结构体的hashtable，里面同样存放着offset，而这个offset代表每一个静态属性在static_members_table和default_static_members_table这两个存放值的数组中的索引。这样，我们可以快速地根据当前的静态属性名，根据静态属性名这个key，在hashtable中查找到zend_property_info结构体中的offset字段，根据这个偏移量，进而去对应的数组单元中，也就是static_members_table或default_static_members_table数组中，找到当前静态属性名对应的值，这样就快速地完成了一次静态属性的访问。

方法的存储

• 由于方法也属于类作用域，所有对象共享相同的方法体。所以在类结构中，就可直接以一个hashtable存储方法。key为方法名称，value为具体的zend_function：

struct _zend_class_entry {
    ...
    HashTable function_table;  //成员方法哈希表
    ...
}

其他

• 一个类，可能它是一个子类，也可能是是一个抽象类或接口、甚至是trait，还有类本身的构造函数、析构函数等等。那么这些信息，我们要如何去表示呢？现在我们看一下这个完整的zend_class_entry类结构：

struct _zend_class_entry {
    char type;          //类的类型：内部类ZEND_INTERNAL_CLASS(1)、用户自定义类ZEND_USER_CLASS(2)
    zend_string *name;  //类名
    struct _zend_class_entry *parent; //父类指针
    int refcount; //引用计数
    uint32_t ce_flags;  //类掩码，如普通类、抽象类、接口等等

    int default_properties_count;        //普通属性的数量总和
    int default_static_members_count;    //静态属性数量总和
    zval *default_properties_table;      //存放普通属性初始化值的数组
    zval *default_static_members_table;  //存放静态属性初始化值的数组
    zval *static_members_table; //存放静态属性值的数组
    HashTable function_table;  //成员方法哈希表
    HashTable properties_info; //存储对象属性的信息哈希表，key为属性名，value为zend_property_info结构体
    HashTable constants_table; //常量哈希表，key为常量名，value为常量值

    //构造函数、析构函数以及魔术方法的指针
    union _zend_function *constructor;
    union _zend_function *destructor;
    union _zend_function *clone;
    union _zend_function *__get;
    union _zend_function *__set;
    union _zend_function *__unset;
    union _zend_function *__isset;
    union _zend_function *__call;
    union _zend_function *__callstatic;
    union _zend_function *__tostring;
    union _zend_function *__debugInfo;
    union _zend_function *serialize_func;
    union _zend_function *unserialize_func;

    zend_class_iterator_funcs iterator_funcs;

    //自定义的钩子函数，通常是定义内部类时使用，可以灵活的进行一些个性化的操作
    //用户自定义类不会用到，暂时忽略即可
    zend_object* (*create_object)(zend_class_entry *class_type);
    zend_object_iterator *(*get_iterator)(zend_class_entry *ce, zval *object, int by_ref);
    int (*interface_gets_implemented)(zend_class_entry *iface, zend_class_entry *class_type); /* a class implements this interface */
    union _zend_function *(*get_static_method)(zend_class_entry *ce, zend_string* method);

    /* serializer callbacks */
    int (*serialize)(zval *object, unsigned char **buffer, size_t *buf_len, zend_serialize_data *data);
    int (*unserialize)(zval *object, zend_class_entry *ce, const unsigned char *buf, size_t buf_len, zend_unserialize_data *data);

    uint32_t num_interfaces; //实现的接口数量总和
    uint32_t num_traits; //使用的trait数量总和
    zend_class_entry **interfaces; //实现的接口，可以理解为它指向一个一维数组，一维数组里全部存放的都是类结构的指针，指向它所实现的接口类

    zend_class_entry **traits; //所使用的trait，理解方法同上
    zend_trait_alias **trait_aliases; //trait别名，解决多个trait中方法重名冲突的问题
    zend_trait_precedence **trait_precedences;

    union {
        struct {
            zend_string *filename;
            uint32_t line_start;
            uint32_t line_end;
            zend_string *doc_comment;
        } user;
        struct {
            const struct _zend_function_entry *builtin_functions;
            struct _zend_module_entry *module; //所属扩展
        } internal;
    } info;
}

对象的存储

• 现在我们再谈对象。我们知道，对象是类的具体实现，是运行阶段的产物。其普通属性是每个对象独享的，所以，在分析对象中，我们要尤其注重每个对象独特的普通属性值是如何存储的。由于之前在讲类存储的时候已经有了铺垫，还记得之前说的zend_property_info中的offset偏移量吗，我们带着这个知识点，直接看对象的存储结构。在PHP7中，使用一个叫做zend_object的结构体来存储对象相关的数据：

struct _zend_object {
    zend_refcounted_h gc; //内部存有引用计数
    uint32_t          handle; 
    zend_class_entry *ce; //所属的类
    const zend_object_handlers *handlers; 
    HashTable        *properties; //存储动态属性值
    zval              properties_table[1]; //柔性数组，每一个单元都是zval类型，用来存储普通属性值，offset就是相对于当前字段首地址的偏移量
};

普通属性的存储

• 我们知道，一个对象，就对应一个zend_object结构。那么最重要的字段就是zval properties_table[1]字段了。它是一个柔性数组，放到结构体的末尾，可以存储变长大小的数据，且与结构体内存空间紧紧相连（柔性数组请看这一系列的前几篇文章有详细讲解）。
• 在创建一个新对象的时候，在类作用域中存储的普通属性的初始化值，都会拷贝到对象结构中的柔性数组中
• 那么现在，之前讲过的类结构中property_info哈希表中的字段的value值zend_property_info中的offset偏移量字段就要派上用场了。想一下，如果让我们访问某个对象的普通属性的值，应该如何访问：

- 通过指针ce找到当前对象对应的类结构zend_class_entry
 - 取出当前类结构中的Hashtable property_info字段，这个字段是一个哈希表，存有属性的信息。
 - 将要查找的属性名作为key，到哈希表中找到对应的value，即zend_property_info结构体，并取出结构体中的offset字段
 - 到当前对象zend_object结构体中，通过内存地址计算（柔性数组的起始地址+offset）就可以得到所要访问的当前对象的某个普通属性的值了

• 那么我们看一下其他几个字段的作用：
• handle：一次request期间对象的编号，每个对象都有一个唯一的编号，与创建先后顺序有关，主要在垃圾回收时使用
• handlers：保存的对象相关操作的一些函数指针，比如属性的读写、方法的获取、对象的销毁/克隆等等，这些操作接口都有默认的函数，这里存储了这些默认函数的指针：

struct _zend_object_handlers {
    int                                     offset;
    zend_object_free_obj_t                  free_obj; //释放对象
    zend_object_dtor_obj_t                  dtor_obj; //销毁对象
    zend_object_clone_obj_t                 clone_obj;//复制对象
    
    zend_object_read_property_t             read_property; //读取成员属性
    zend_object_write_property_t            write_property;//修改成员属性
    ...
}

//处理对象的handler
ZEND_API zend_object_handlers std_object_handlers = {
    0,
    zend_object_std_dtor,                   /* free_obj */
    zend_objects_destroy_object,            /* dtor_obj */
    zend_objects_clone_obj,                 /* clone_obj */
    zend_std_read_property,                 /* read_property */
    zend_std_write_property,                /* write_property */
    zend_std_read_dimension,                /* read_dimension */
    zend_std_write_dimension,               /* write_dimension */
    zend_std_get_property_ptr_ptr,          /* get_property_ptr_ptr */
    NULL,                                   /* get */
    NULL,                                   /* set */
    zend_std_has_property,                  /* has_property */
    zend_std_unset_property,                /* unset_property */
    zend_std_has_dimension,                 /* has_dimension */
    zend_std_unset_dimension,               /* unset_dimension */
    zend_std_get_properties,                /* get_properties */
    zend_std_get_method,                    /* get_method */
    NULL,                                   /* call_method */
    zend_std_get_constructor,               /* get_constructor */
    zend_std_object_get_class_name,         /* get_class_name */
    zend_std_compare_objects,               /* compare_objects */
    zend_std_cast_object_tostring,          /* cast_object */
    NULL,                                   /* count_elements */
    zend_std_get_debug_info,                /* get_debug_info */
    zend_std_get_closure,                   /* get_closure */
    zend_std_get_gc,                        /* get_gc */
    NULL,                                   /* do_operation */
    NULL,                                   /* compare */
}

动态属性的存储

• properties: 普通成员属性哈希表，key为动态属性名，value为动态属性值。对象创建之初这个值为NULL，主要是在动态定义属性时会用到。
• 那么什么是动态属性呢？就是之前在类定义阶段未定义的属性，在运行期间动态添加的属性，如：

class A{
    public $name = 'jby';
}
$a = new A();
$a->age = 18;

• 这里的age就是动态属性，而name是普通属性。
• 基于之前讲过的查找普通属性的流程，我们由特殊到一般地得出查找所有类型的对象属性的方式：
• 在查找一个对象的属性的时候，会首先按照我们之前讲过的查找普通属性的方式，首先找到偏移量offset，即类结构的zend_class_entry下的properties_info字段中的offset，然后根据这个偏移量offset到对象结构zend_object下的properties_table柔性数组中找。
• 如果按照查找普通属性的方式没有找到，那么我们再去zend_object下的properties字段继续查找动态属性即可，整理如下：

- 通过指针ce找到当前对象对应的类结构zend_class_entry
 - 取出当前类结构中的Hashtable property_info字段，这个字段是一个哈希表，存有属性的信息。
 - 将要查找的属性名作为key，到哈希表中找到对应的value，即zend_property_info结构体，并取出结构体中的offset字段
 - 到当前对象zend_object结构体中，通过内存地址计算（柔性数组的起始地址+offset）就可以得到所要访问的当前对象的某个普通属性的值
 - 如果以上都没有找到，说明它是一个动态属性，那么就去zend_object下的properties哈希表中查找，属性名作为key，到这个哈希表中查找对应的value即可