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PHP内核分析之深入理解字符串(七)

phpmianshi2年前 (2018-06-08)PHP172

一、字符串的结构

struct _zend_string {
    zend_refcounted_h gc;       /* 字符串类别及引用计数 */
    zend_ulong        h;        /* 字符串的哈希值 */
    size_t            len;      /* 字符串的长度 */
    char              val[1];   /* 柔性数组,字符串存储位置 */
};

zend_refcounted_h对应的结构体:

typedef struct _zend_refcounted_h {
    uint32_t         refcount;          /* 引用计数 */
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_3(
                zend_uchar    type,     
                zend_uchar    flags,    /* 字符串的类型 */
                uint16_t      gc_info   /* 垃圾回收信息 */
            )
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u;
} zend_refcounted_h;

下面我们来了解一下具体每个成员的作用:


gc:就是_zend_refcounted_h结构体,主要作用是引用计数以及标记变量的类别。

h:字符串的哈希值,在字符串被用来当数组的key时才初始化,这样如果同一个字符串被多次用来做key,就不会重复计算了。

val:这里的char[1]并不意味着只存储1位,char[1]被称为柔性数组,下面来了解一下PHP在字符串内存分配时做了什么。

static zend_always_inline zend_string *zend_string_alloc(size_t len, int persistent)
{
    zend_string *ret = (zend_string *)pemalloc(ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(_ZSTR_STRUCT_SIZE(len)), persistent);
    ......
}

宏替换后:

static zend_always_inline zend_string *zend_string_alloc(size_t len, int persistent)
{
    zend_string *ret = (zend_string *)pemalloc(ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(XtOffsetOf(zend_string, val) + len + 1), persistent);
    ......
}

示例中的代码XtOffsetOf(zend_string, val)表示计算出zend_string结构体的大小,而len就是要分配字符串的长度,最后的+1是留给结束字符\0的。也就是说,分配内存时不仅仅分配结构体大小的内存,还要顾及到长度不可控的val,这样不仅柔性的分配了内存,还使它与其他成员存储在同一块连续的空间中,在分配、释放内存时可以把struct统一处理。


len:字符串的长度,避免重复计算浪费时间,典型的空间换时间做法。

二、字符串的二进制安全

学习过C语言的应该知道,字符串中除了最后一个字符外不允许含有\0,否则会被认为是字符串的结束字符,这就导致了C语言的字符串有很多的限制,比如不存储图片、文件等二进制数据。但是PHP就没有这样的限制,它的字符串可以存储二进制数据,并不会出现任何报错,而PHP的这种能力就叫做字符串的二进制安全。


C语言代码如下:

main() {
    char a[] = "aaa\0b";    /* 含有\0的字符串 */
    printf("%d\n", strlen(a));  /* 长度为3,\0后的b被忽略 */
}

PHP代码:

<?php
    $a = "aaa\0b";
    echo strlen($a);    //输出5
?>

但是PHP不是C语言写的吗?为什么PHP不会报错?我们再来回顾一下zend_string结构体,还记得成员变量len吗?它是实现二进制安全的关键,我们不需要像C一样通过\0来判定字符串是否被读取完成,而是通过长度len来判断,这样就保证了字符串的二进制安全。


三、zend_string API

在了解了zend_string结构之后,我们来了解一下用来操作zend_string的函数集合。


函数 作用

zend_interned_strings_init 初始化内部字符串存储哈希表,并把PHP的关键字等字符串信息写进去

zend_new_interned_string 把一个zend_string写入CG(interned_strings)哈希表中

zend_interned_strings_snapshot 将CG(interned_strings)哈希表中的字符串标记为永久字符串,这里标记的只有PHP关键字、内部函数名、内部方法名等

zend_interned_strings_restore 销毁CG(interned_strings)哈希表中类型为非永久字符串的值,在php_request_shutdown阶段释放

zend_interned_strings_dtor 销毁整个CG(interned_strings)哈希表,在php_module_shutdown阶段释放

zend_string_hash_val 得到字符串的哈希值,没有则实时计算

zend_string_forget_hash_val 将字符串的哈希值置为0

zend_string_refcount 读取字符串的引用计数

zend_string_addref 引用计数+1

zend_string_delref 引用计数-1

zend_string_alloc 分配内存及初始化字符串的值

zend_string_init 初始化字符串并在最后追加\0

zend_string_cop 使用引用计数方式复制字符串

zend_string_dup 直接复制一个字符串

zend_string_extend 扩容到len,保留原来的值

zend_string_truncate 截断到len,保留开头到len的值

zend_string_free 释放字符串内存

zend_string_release GC引用递减,直到为0时释放内存

zend_string_equals 普通判等

zend_string_equals_ci 基于二进制安全,两个zend_string类型字符串判等

zend_string_equals_literal_ci 基于二进制安全,zend_string类型和char*字符串判等

zend_inline_hash_func 计算字符串的哈希值

zend_intern_known_strings 往zend_intern_known_strings全局数组写入str

下面挑几个函数来介绍一下。


3.1、zend_string_init函数

zend_string_init函数主要负责把一个普通的字符串转化为zend_string结构体。

static zend_always_inline zend_string *zend_string_init(const char *str, size_t len, int persistent)
{
    zend_string *ret = zend_string_alloc(len, persistent);
 
    memcpy(ZSTR_VAL(ret), str, len);
    ZSTR_VAL(ret)[len] = '\0';
    return ret;
}

申请一块连续的内存,这个在上文中已经提到,申请的内存大小是zend_string结构体大小+字符串长度+1。

指针偏移到val位置,开始字符串拷贝。

在zend_string.val结尾追加\0。

3.2、zend_string_extend函数

该函数主要用于对字符串的扩容,注意这里扩容不会改变原来保存的值,只是把长度扩大到len。

static zend_always_inline zend_string *zend_string_extend(zend_string *s, size_t len, int persistent)
{
    zend_string *ret;
 
    ZEND_ASSERT(len >= ZSTR_LEN(s));
    if (!ZSTR_IS_INTERNED(s)) {
        if (EXPECTED(GC_REFCOUNT(s) == 1)) {
            ret = (zend_string *)perealloc(s, ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(_ZSTR_STRUCT_SIZE(len)), persistent);
            ZSTR_LEN(ret) = len;
            zend_string_forget_hash_val(ret);
            return ret;
        } else {
            GC_REFCOUNT(s)--;
        }
    }
    ret = zend_string_alloc(len, persistent);
    memcpy(ZSTR_VAL(ret), ZSTR_VAL(s), ZSTR_LEN(s) + 1);
    return ret;
}

如果不是内部字符串并且引用计数为1时,直接调用perealloc分配内存。

如果字符串的引用计数大于1或者是内部字符串时,就不能在原来的基础上扩容了,先通过zend_string_alloc申请一块新内存,让后将旧内容拷贝到新内存中。

3.3、zend_string_equals_ci函数

主要基于二进制安全对两个字符串进行判等,我们来看下PHP是怎么比较两个字符串的。

#define zend_string_equals_ci(s1, s2) \
    (ZSTR_LEN(s1) == ZSTR_LEN(s2) && !zend_binary_strcasecmp(ZSTR_VAL(s1), ZSTR_LEN(s1), ZSTR_VAL(s2), ZSTR_LEN(s2)))

先比较两个字符串的长度是否相等,注意这里是通过zend_string中的len来比较的。

zend_binary_strcasecmp函数在长度比较完成后,进行逐个字符进行比较。先遍历整个字符串数组,取出每个字符,转换为ASC码进行判等,如果不等则返回差值。循环完了还没发现差异的话就返回两者的长度差,如果长度相等就返回0。感觉这里做的有点多余,参数传进来之前就已经做了长度判等了。

ZEND_API int ZEND_FASTCALL zend_binary_strcasecmp(const char *s1, size_t len1, const char *s2, size_t len2) /* {{{ */
{
    size_t len;
    int c1, c2;
 
    if (s1 == s2) {
        return 0;
    }
 
    len = MIN(len1, len2);
    while (len--) {
        c1 = zend_tolower_ascii(*(unsigned char *)s1++);
        c2 = zend_tolower_ascii(*(unsigned char *)s2++);
        if (c1 != c2) {
            return c1 - c2;
        }
    }
 
    return (int)(len1 - len2);
}

感兴趣的同学可以到源码中查看。

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