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php自动加载__autoload的工作机制

2017-05-31 15:46 543 查看
转载自：http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/368

在使用PHP的OO模式开发系统时，通常大家习惯上将每个类的实现都存放在一个单独的文件里，这样会很容易实现对类进行复用，同时将来维护时也很便利。这也是OO设计的基本思想之一。在PHP5之前，如果需要使用一个类，只需要直接使用include/require将其包含进来即可。下面是一个实际的例子：

01
/*
Person.class.php*/
02
<?php
03
class
Person
{
04
var
$name
,
$age
;
05
06
function
__construct
(
$name
,
$age
)
07
{
08
$this
->name
=
$name
;
09
$this
->age
=
$age
;
10
}
11
}
12
?>
13
/*
no_autoload.php*/
14
<?php
15
require_once
(
"Person.class.php"
);
16
17
$person
=
new
Person(”Altair”,
6);
18
var_dump
(
$person
);
19
?>
在这个例子中，no-autoload.php文件需要使用Person类，它使用了require_once将其包含，然后就可以直接使用Person类来实例化一个对象。

但随着项目规模的不断扩大，使用这种方式会带来一些隐含的问题：如果一个PHP文件需要使用很多其它类，那么就需要很多的require/include语句，这样有可能会造成遗漏或者包含进不必要的类文件。如果大量的文件都需要使用其它的类，那么要保证每个文件都包含正确的类文件肯定是一个噩梦。

PHP5为这个问题提供了一个解决方案，这就是类的自动装载(autoload)机制。autoload机制可以使得PHP程序有可能在使用类时才自动包含类文件，而不是一开始就将所有的类文件include进来，这种机制也称为lazyloading。

下面是使用autoload机制加载Person类的例子：

1
/*
autoload.php*/
2
<?php
3
function
__autoload(
$classname
)
{
4
require_once
(
$classname
.
"class.php"
);
5
}
6
7
$person
=
new
Person(
"Altair"
,
6);
8
var_dump
(
$person
);
9
?>
通常PHP5在使用一个类时，如果发现这个类没有加载，就会自动运行__autoload()函数，在这个函数中我们可以加载需要使用的类。在我们这个简单的例子中，我们直接将类名加上扩展名”.class.php”构成了类文件名，然后使用require_once将其加载。从这个例子中，我们可以看出autoload至少要做三件事情，第一件事是根据类名确定类文件名，第二件事是确定类文件所在的磁盘路径(在我们的例子是最简单的情况，类与调用它们的PHP程序文件在同一个文件夹下)，第三件事是将类从磁盘文件中加载到系统中。第三步最简单，只需要使用include/require即可。要实现第一
步，第二步的功能，必须在开发时约定类名与磁盘文件的映射方法，只有这样我们才能根据类名找到它对应的磁盘文件。

因此，当有大量的类文件要包含的时候，我们只要确定相应的规则，然后在__autoload()函数中，将类名与实际的磁盘文件对应起来，就可以实现lazyloading的效果。从这里我们也可以看出__autoload()函数的实现中最重要的是类名与实际的磁盘文件映射规则的实现。

但现在问题来了，如果在一个系统的实现中，如果需要使用很多其它的类库，这些类库可能是由不同的开发人员编写的，其类名与实际的磁盘文件的映射规则不尽相同。这时如果要实现类库文件的自动加载，就必须在__autoload()函数中将所有的映射规则全部实现，这样的话__autoload()函数有可能会非常复杂，甚至无法实现。最后可能会导致__autoload()函数十分臃肿，这时即便能够实现，也会给将来的维护和系统效率带来很大的负面影响。在这种情况下，难道就没有更简单清晰的解决办法了吧？答案当然是：NO!在看进一步的解决方法之前，我们先来看一下PHP中的autoload机制是如何实现的。

我们知道，PHP文件的执行分为两个独立的过程，第一步是将PHP文件编译成普通称之为OPCODE的字节码序列（实际上是编译成一个叫做zend_op_array的字节数组），第二步是由一个虚拟机来执行这些OPCODE。PHP的所有行为都是由这些OPCODE来实现的。因此，为了研究PHP中autoload的实现机制，我们将autoload.php文件编译成opcode，然后根据这些OPCODE来研究PHP在这过程中都做了些什么：

01
/*
autoload.php编译后的OPCODE列表，是使用作者开发的OPDUMP工具
02
*
生成的结果，可以到网站http://www.phpinternals.com/下载该软件。
03
*/
04
1:
<?php
05
2:
//
require_once("Person.php");
06
3:
07
4:
function
__autoload
(
$classname
)
{
08
0
NOP
09
0
RECV1
10
5:
if
(!
class_exists
(
$classname
))
{
11
1
SEND_VAR!0
12
2
DO_FCALL
'class_exists'
[extval:1]
13
3
BOOL_NOT
$0
=>RES[~1]
14
4
JMPZ~1,->8
15
6:
require_once
(
$classname
.
“.
class
.php”);
16
5
CONCAT!0,‘.
class
.php’
=>RES[~2]
17
6
INCLUDE_OR_EVAL~2,REQUIRE_ONCE
18
7:
}
19
7
JMP->8
20
8:
}
21
8
RETURNnull
22
9:
23
10:
$p
=
new
Person(’Fred’,
35);
24
1
FETCH_CLASS‘Person’=>RES[:0]
25
2
NEW:0=>RES[
$1
]
26
3
SEND_VAL‘Fred’
27
4
SEND_VAL35
28
5
DO_FCALL_BY_NAME[extval:2]
29
6
ASSIGN!0,
$1
30
11:
31
12:
var_dump(
$p
);
32
7
SEND_VAR!0
33
8
DO_FCALL‘var_dump’[extval:1]
34
13:
?>
在autoload.php的第10行代码中我们需要为类Person实例化一个对象。因此autoload机制一定会在该行编译后的opcode中有所体现。从上面的第10行代码生成的OPCODE中我们知道，在实例化对象Person时，首先要执行FETCH_CLASS指令。我们就从PHP对FETCH_CLASS指令的处理过程开始我们的探索之旅。

通过查阅PHP的源代码(我使用的是PHP5.3alpha2版本)可以发现如下的调用序列：

1
ZEND_VM_HANDLER(109,
ZEND_FETCH_CLASS,…)(zend_vm_def.h1864行)
2
=>
zend_fetch_class(zend_execute_API.c1434行)
3
=>zend_lookup_class_ex
(zend_execute_API.c964行)
4
=>
zend_call_function(&fcall_info,&fcall_cache)(zend_execute_API.c1040行)
在最后一步的调用之前，我们先看一下调用时的关键参数：

1
/*
设置autoload_function变量值为”__autoload”*/
2
fcall_info.function_name
=&autoload_function;
//
Ooops,终于发现”__autoload”了
3
…
4
fcall_cache.function_handler
=EG(autoload_func);
//
autoload_func!
zend_call_function是ZendEngine中最重要的函数之一，其主要功能是执行用户在PHP程序中自定义的函数或者PHP本身的库函数。zend_call_function有两个重要的指针形参数fcall_info,fcall_cache，它们分别指向两个重要的结构，一个是zend_fcall_info,另一个是zend_fcall_info_cache。zend_call_function主要工作流程如下：如果fcall_cache.function_handler指针为NULL，则尝试查找函数名为fcall_info.function_name的函
数，如果存在的话，则执行之；如果fcall_cache.function_handler不为NULL，则直接执行fcall_cache.function_handler指向的函数。

现在我们清楚了，PHP在实例化一个对象时（实际上在实现接口，使用类常数或类中的静态变量，调用类中的静态方法时都会如此），首先会在系统中查找该类（或接口）是否存在，如果不存在的话就尝试使用autoload机制来加载该类。而autoload机制的主要执行过程为：

检查执行器全局变量函数指针autoload_func是否为NULL。
如果autoload_func==NULL,则查找系统中是否定义有__autoload()函数，如果没有，则报告错误并退出。
如果定义了__autoload()函数，则执行__autoload()尝试加载类，并返回加载结果。
如果autoload_func不为NULL，则直接执行autoload_func指针指向的函数用来加载类。注意此时并不检查__autoload()函数是否定义。

真相终于大白，PHP提供了两种方法来实现自动装载机制，一种我们前面已经提到过，是使用用户定义的__autoload()函数，这通常在PHP源程序中来实现；另外一种就是设计一个函数，将autoload_func指针指向它，这通常使用C语言在PHP扩展中实现。如果既实现了__autoload()函数，又实现了autoload_func(将autoload_func指向某一PHP函数)，那么只执行autoload_func函数。

SPLautoload机制的实现
SPL是StandardPHPLibrary(标准PHP库)的缩写。它是PHP5引入的一个扩展库，其主要功能包括autoload机制的实现及包括各种Iterator接口或类。SPLautoload机制的实现是通过将函数指针autoload_func指向自己实现的具有自动装载功能的函数来实现的。SPL有两个不同的函数spl_autoload,spl_autoload_call，通过将autoload_func指向这两个不同的函数地址来实现不同的自动加载机制。

spl_autoload是SPL实现的默认的自动加载函数，它的功能比较简单。它可以接收两个参数，第一个参数是$class_name，表示类名，第二个参数$file_extensions是可选的，表示类文件的扩展名，可以在$file_extensions中指定多个扩展名，护展名之间用分号隔开即可；如果不指定的话，它将使用默认的扩展名.inc或.php。spl_autoload首先将$class_name变为小写，然后在所有的includepath中搜索$class_name.inc或$class_name.php文件(如果不指定$file_extensions参数的话)，如果找
到，就加载该类文件。你可以手动使用spl_autoload(”Person”,“.class.php”)来加载Person类。实际上，它跟require/include差不多，不同的它可以指定多个扩展名。

怎样让spl_autoload自动起作用呢，也就是将autoload_func指向spl_autoload？答案是使用spl_autoload_register函数。在PHP脚本中第一次调用spl_autoload_register()时不使用任何参数，就可以将autoload_func指向spl_autoload。

通过上面的说明我们知道，spl_autoload的功能比较简单，而且它是在SPL扩展中实现的，我们无法扩充它的功能。如果想实现自己的更灵活的自动加载机制怎么办呢？这时，spl_autoload_call函数闪亮登场了。

我们先看一下spl_autoload_call的实现有何奇妙之处。在SPL模块内部，有一个全局变量autoload_functions，它本质上是一个HashTable，不过我们可以将其简单的看作一个链表，链表中的每一个元素都是一个函数指针,指向一个具有自动加载类功能的函数。spl_autoload_call本身的实现很简单，只是简单的按顺序执行这个链表中每个函数，在每个函数执行完成后都判断一次需要的类是否已经加载，如果加载成功就直接返回，不再继续执行链表中的其它函数。如果这个链表中所有的函数都执行完成后类还没有加载，spl_autoload_call就直接
退出，并不向用户报告错误。因此，使用了autoload机制，并不能保证类就一定能正确的自动加载，关键还是要看你的自动加载函数如何实现。

那么自动加载函数链表autoload_functions是谁来维护呢？就是前面提到的spl_autoload_register函数。它可以将用户定义的自动加载函数注册到这个链表中，并将autoload_func函数指针指向spl_autoload_call函数（注意有一种情况例外，具体是哪种情况留给大家思考）。我们也可以通过spl_autoload_unregister函数将已经注册的函数从autoload_functions链表中删除。

当autoload_func指针非空时，就不会自动执行__autoload()函数了，现在autoload_func已经指向了spl_autoload_call，如果我们还想让__autoload()函数起作用应该怎么办呢？当然还是使用spl_autoload_register(__autoload)调用将它注册到autoload_functions链表中。

现在回到第一节最后的问题，我们有了解决方案：根据每个类库不同的命名机制实现各自的自动加载函数，然后使用spl_autoload_register分别将其注册到SPL自动加载函数队列中就可了。这样我们就不用维护一个非常复杂的__autoload函数了。

autoload效率问题及对策
使用autoload机制时，很多人的第一反应就是使用autoload会降低系统效率，甚至有人干脆提议为了效率不要使用autoload。在我们了解了autoload实现的原理后，我们知道autoload机制本身并不是影响系统效率的原因，甚至它还有可能提高系统效率，因为它不会将不需要的类加载到系统中。

那么为什么很多人都有一个使用autoload会降低系统效率的印象呢？实际上，影响autoload机制效率本身恰恰是用户设计的自动加载函数。如果它不能高效的将类名与实际的磁盘文件(注意，这里指实际的磁盘文件，而不仅仅是文件名)对应起来，系统将不得不做大量的文件是否存在(需要在每个includepath中包含的路径中去寻找)的判断，而判断文件是否存在需要做磁盘I/O操作，众所周知磁盘I/O操作的效率很低，因此这才是使得autoload机制效率降低的罪魁祸首!

因此，我们在系统设计时，需要定义一套清晰的将类名与实际磁盘文件映射的机制。这个规则越简单越明确，autoload机制的效率就越高。

结论：autoload机制并不是天然的效率低下，只有滥用autoload，设计不好的自动装载函数才会导致其效率的降低。
                                            

                                        

                        
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