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PHP 中的操作符重载

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1. 操作符重载

操作符重载是一种语法糖，它在 C++、Python、Kotlin 等编程语言中被广泛使用。这一特性有助于我们写出更加整洁、表述力更强的代码，尤其是当我们对某些对象进行数学操作时。

例如，当我们在 PHP 中使用一个 Complex 类，我们往往更希望这样写:

$a = new Complex(1.1, 2.2);
$b = new Complex(1.2, 2.3);

$c = $a * $b / ($a + $b);

而不是这样：

$c = $a->mul($b)->div($a->add($b));

尽管这个 RFC 提出了要在 PHP 中实现这一特性，然而截至目前，这一提议并未被实施。幸运的是，我们可以通过在 PHP 扩展中编写一些简单的逻辑来实现操作符重载，而无需修改 PHP 本身的源码。PECL operator 扩展做的就是这样一件事情（注意，该扩展的发布版本比较旧，想要 PHP7 支持需要看 git master 分支）。

本文中，我们将讨论在一个 PHP 扩展中实现操作符重载的相关细节。我们假定读者具备 C/C++ 的编程语言基础，并且对 PHP 的 Zend 实现有初步的了解。

2. PHP 的操作码

在一个 PHP 脚本可以在 Zend VM 中运行之前，它首先会被编译为一系列操作码。与机器码类似，一个 PHP 操作码包含指令、操作数等，其存储在结构体 zend_op 中。

struct _zend_op {
    const void *handler;      // 操作码处理函数的指针
    znode_op op1;             // 第一个操作数
    znode_op op2;             // 第二个操作数
    znode_op result;          // 执行结果
    uint32_t extended_value;  // 与该操作码相关的额外信息
    uint32_t lineno;          // 操作码所在行数
    zend_uchar opcode;        // 操作码指令
    zend_uchar op1_type;      // 第一个操作数的类型
    zend_uchar op2_type;      // 第二个操作数的类型
    zend_uchar result_type;   // 执行结果的类型
};

2.1 操作数

操作数之于操作码，如同参数之于函数。结构体 zend_op 的操作数成员存储了其所指向的对象的偏移量或指针，在 znode_op 中被定义。由于操作数有多种不同类型（我们后面会讨论），因此用一个联合体定义。

typedef union _znode_op {
    uint32_t      constant;
    uint32_t      var;
    uint32_t      num;
    uint32_t      opline_num;
#if ZEND_USE_ABS_JMP_ADDR
    zend_op      *jmp_addr;
#else
    uint32_t      jmp_offset;
#endif
#if ZEND_USE_ABS_CONST_ADDR
    zval         *zv;
#endif
} znode_op;

正如 zend_compile.h 中所述:

On 64-bit systems, less optimal but more compact VM code leads to better performance. So on 32-bit systems we use absolute addresses for jump targets and constants, but on 64-bit systems relative 32-bit offsets.

在 64 位系统中，宏 ZEND_USE_ABS_JMP_ADDR 和 ZEND_USE_ABS_CONST_ADDR 被定义为 0, 因此 znode_op 永远是 32 位大小。

2.2 操作指令

指令码用于指示 Zend VM 应该对操作数进行什么样的操作。在 zend_vm_opcodes.h 中可以看到所有的指令码定义。

PHP 源码中的操作符会被编译为对应的指令码。借助 phpdbg 或类似调试工具，我们可以分析编译后的操作码。如，PHP 代码 $c = $a + $b 会被编译为：

ADD    $a, $b, ~0  # "+" 操作符 
ASSIGN $c, ~0      # "=" 操作符

可以看到，+ 操作符对应指令 ZEND_ADD，$a 和 $b 是操作码的两个操作数。操作结果被存储在临时变量 ~0 中，并在下一行的赋值指令中被赋值给 $c。

然而，并非所有操作符都有对应的指令码。如代码 $c = $a > -$b 会被编译为：

MUL        $b, -1, ~0  # 转换为乘法操作，乘以 -1
IS_SMALLER ~0, $a, ~1  # 调换操作符位置，并转换为小于比较
ASSIGN     $c, ~1

在之后的章节，我们会对这种情况进行进一步说明。

2.3 操作数类型

结构体 zend_op 的 op1_type，op2_type，result_type 成员分别存储了第一个操作数、第二个操作数和执行结果的操作数类型。其可能的值如下：

#define IS_UNUSED   0
#define IS_CONST    (1<<0)
#define IS_TMP_VAR  (1<<1)
#define IS_VAR      (1<<2)
#define IS_CV       (1<<3) // Compiled variable
  • 如果操作数不被使用，则其类型为 IS_UNUSED.
  • 如果操作数是一个字面量, 则其类型为 IS_CONST.
  • 如果操作数是一个由表达式返回的临时变量, 则其类型为 IS_TMP_VAR.
  • 如果操作数是一个在编译期被确定的变量, 则其类型为 IS_CV.
  • 如果操作数是一个由表达式返回的在编译期被确定的变量, 则其类型为 IS_VAR.

通过使用调试工具，可以有助于我们理解操作数的类型。如以下 PHP 代码：

$a = 1;
$a + 1;
$b = $a + 1;
$a += 1;
$c = $b = $a += 1;

会被编译为：

                       # (op1     op2     result) type
ASSIGN     $a, 1       #  CV      CONST   UNUSED
ADD        $a, 1,  ~1  #  CV      CONST   TMP_VAR
FREE       ~1          #  TMP_VAR UNUSED  UNUSED
ADD        $a, 1,  ~2  #  CV      CONST   TMP_VAR
ASSIGN     $b, ~2      #  CV      TMP_VAR UNUSED
ASSIGN_ADD $a, 1       #  CV      CONST   UNUSED
ASSIGN_ADD $a, 1,  @5  #  CV      CONST   VAR
ASSIGN     $b, @5, @6  #  CV      VAR     VAR
ASSIGN     $c, @6      #  CV      VAR     UNUSED

可以看出，编译期确定的变量 $a、$b 是 IS_CV，字面量 1 是 IS_CONST，表达式产生的临时变量 ~1、~2 是 TMP_VAR。@5、@6 虽然对应 $a、$b，但它们是由表达式返回的，因此是 IS_VAR。

同时，我们也发现，对于赋值指令，若其执行结果未被使用，则不会返回结果，而非赋值指令永远会返回结果，即使其未被使用。这是因为赋值指令的运算结果会被赋值给第一个操作数，当其未被使用时，不需要额外的指令去释放内存。在后面的章节我们会进一步讨论这一细节。

3. 操作码处理函数

操作码处理函数的职能是根据给定的指令和操作数执行对应的操作，就像 CPU 执行机器码一样。通过调用如下的 Zend API，我们可以用自定义的函数来替代 Zend VM 内置的操作码处理函数：

ZEND_API int zend_set_user_opcode_handler(
    zend_uchar            opcode,
    user_opcode_handler_t handler);

其中 handler 参数是自定义的操作码处理函数的指针，opcode 参数是我们想要替代的指令。想要取消设定自定义操作码处理函数，向 handler 参数传递 nullptr 即可。每当操作码被执行时，Zend VM 会调用与其指令码相对应的自定义函数（如果它存在）。

函数指针 user_opcode_handler_t 定义如下：

typedef int (*user_opcode_handler_t) (zend_execute_data *execute_data);

操作码处理函数接受 execute_data 指针作为参数，并返回一个整型，其值为下述之一，代表该函数执行完成后进行的下一步操作。

#define ZEND_USER_OPCODE_CONTINUE   0
#define ZEND_USER_OPCODE_RETURN     1
#define ZEND_USER_OPCODE_DISPATCH   2
#define ZEND_USER_OPCODE_ENTER      3
#define ZEND_USER_OPCODE_LEAVE      4

在多数情况下，我们只会用到如下所描述的其中两个返回值：

  • ZEND_USER_OPCODE_CONTINUE 表示该操作码已经执行完成，应该继续执行下一行指令。
  • ZEND_USER_OPCODE_DISPATCH 表示该操作码并没有被执行，应先转为使用内置操作码处理函数去执行，再执行下一行指令。

3.1 实现操作码处理函数

我们用 C++ 定义一个普适性的操作码处理函数模版，如下所示。其中，handler 参数包含处理操作码的具体业务逻辑，它可以为一个函数指针、lambda 表达式或仿函数，接受三个 zval 指针作为参数，分别为两个操作数和执行结果。

template <typename F>
int op_handler(zend_execute_data *execute_data, F handler)
{
    // 在这里做一些初始化操作
    if (!handler(op1, op2, result)) {
        return ZEND_USER_OPCODE_DISPATCH;
    }
    // 在这里做一些后续操作
    return ZEND_USER_OPCODE_CONTINUE;
}

在函数的开始，我们先进行一些初始化操作。首先，从 execute_data 中获取到当前执行的操作码，并从操作码中获取到各个操作数所对应的 zval。

const zend_op *opline = EX(opline);
zend_free_op free_op1, free_op2;
zval *op1 = zend_get_zval_ptr(opline, opline->op1_type, &opline->op1,
                              execute_data, &free_op1, 0);
zval *op2 = zend_get_zval_ptr(opline, opline->op2_type, &opline->op2,
                              execute_data, &free_op2, 0);
zval *result = opline->result_type ? EX_VAR(opline->result.var) : nullptr;

操作数可能是指向其他 zval 的引用，即 zend_reference。我们往往需要先对其解引用。

if (EXPECTED(op1)) {
    ZVAL_DEREF(op1);
}
if (op2) {
    ZVAL_DEREF(op2);
}

现在，我们可以像之前所描述的那样调用 handler。

若操作数是临时变量，当操作码处理函数执行完成后，我们需要先释放它们。最后，将 execute_data->opline 指向下一行操作码。

if (free_op2) {
    zval_ptr_dtor_nogc(free_op2);
}
if (free_op1) {
    zval_ptr_dtor_nogc(free_op1);
}
EX(opline) = opline + 1;

现在，我们就可以根据需要，注册自定义的操作码处理函数。

int add_handler(zend_execute_data *execute_data)
{
    return op_handler(execute_data, [] (auto zv1, auto zv2, auto rv) {
        if (/* 是否要在这里重载 "+" 操作符？ */) {
            // 重载的具体实现
            return true;
        }
        return false;
    });
}

PHP_MINIT_FUNCTION(my_extension)
{
    // 一般情况下，我们在扩展被载入时注册自定义操作码处理函数
    zend_set_user_opcode_handler(ZEND_ADD, add_handler);
}

4. 操作符重载的实现细节

我们现已知道，通过自定义的操作码处理函数，可以实现操作符重载。下面我们将讨论一些实现细节，从而帮助大家减少在开发过程中的踩坑。

4.1 二元操作符

语法 指令码
$a + $b ZEND_ADD
$a - $b ZEND_SUB
$a * $b ZEND_MUL
$a / $b ZEND_DIV
$a % $b ZEND_MOD
$a ** $b ZEND_POW
$a << $b ZEND_SL
$a >> $b ZEND_SR
$a . $b ZEND_CONCAT
$a | $b ZEND_BW_OR
$a & $b ZEND_BW_AND
$a ^ $b ZEND_BW_XOR
$a === $b ZEND_IS_IDENTICAL
$a !== $b ZEND_IS_NOT_IDENTICAL
$a == $b ZEND_IS_EQUAL
$a != $b ZEND_IS_NOT_EQUAL
$a < $b ZEND_IS_SMALLER
$a <= $b ZEND_IS_SMALLER_OR_EQUAL
$a xor $b ZEND_BOOL_XOR
$a <=> $b ZEND_SPACESHIP

二元操作符接受两个操作数，永远有返回值，而且允许修改操作数（当然如果尝试修改字面量或临时变量，是毫无意义的）。

注意，正如我们在 2.2 中所述，> 和 >= 操作符是没有对应的指令码的。尽管在绝大多数情况下 $a > $b 和 $b < $a 是完全等价的，但也有例外，如 PECL operator 扩展，需要区分这两个操作符，并调用 __is_smaller() 或 __is_greater() 这两个魔术方法之一。

PECL operator 扩展提出了一种方法，即利用 zend_op 的 extended_value 成员区分 > 和 <。但这个 hack 是在解析语法树时做的，没有提供 API 可供我们用自定义方法去替换，需要修改 PHP 的源码并重新编译 PHP。此外，这个做法很可能会影响其在未来 PHP 版本中的兼容性。

这种情况下，建议采用类似如下所示的解决方案：

int is_smaller_handler(zend_execute_data *execute_data) {
    return op_handler(execute_data, [] (auto zv1, auto zv2, auto rv) {
        if (Z_TYPE_P(zv1) == IS_OBJECT) {
            if (__zobj_has_method(Z_OBJ_P(zv1), "__is_smaller")) {
                // 在这里调用 `$zv1->__is_smaller($zv2)`.
                return true;
            }
        } else if (Z_TYPE_P(zv2) == IS_OBJECT) {
            if (__zobj_has_method(Z_OBJ_P(zv2), "__is_greater")) {
                // 在这里调用 `$zv2->__is_greater($zv1)`.
                return true;
            }
        }
        return false;
    });
}

4.2 二元赋值操作符

语法 指令码
$a += $b ZEND_ASSIGN_ADD
$a -= $b ZEND_ASSIGN_SUB
$a *= $b ZEND_ASSIGN_MUL
$a /= $b ZEND_ASSIGN_DIV
$a %= $b ZEND_ASSIGN_MOD
$a **= $b ZEND_ASSIGN_POW
$a <<= $b ZEND_ASSIGN_SL
$a >>= $b ZEND_ASSIGN_SR
$a .= $b ZEND_ASSIGN_CONCAT
$a |= $b ZEND_ASSIGN_BW_OR
$a &= $b ZEND_ASSIGN_BW_AND
$a ^= $b ZEND_ASSIGN_BW_XOR
$a = $b ZEND_ASSIGN
$a =& $b ZEND_ASSIGN_REF

二元赋值操作符与一般的二元操作符类似，区别在于当返回值不被使用（opline->result_type == IS_UNUSED）的时候，不要在操作码处理函数中对其赋值，否则可能会引起错误。

一般来说，二元赋值操作符对应的操作码执行完成后，要将执行结果赋值给第一个操作数。但这并不是必须的，而且 Zend VM 不会帮我们做这件事。

代码示例:

int assign_add_handler(zend_execute_data *execute_data) {
    return op_handler(execute_data, [] (auto zv1, auto zv2, auto rv) {
        if (Z_TYPE_P(zv1) == IS_OBJECT) {
            // 在这里处理 "+" 操作符
            __update_value(zv1, add_result);
            if (rv != nullptr) {
                ZVAL_COPY(rv, zv1);
            }
            return true;
        }
        return false;
    });
}

4.2.1 PHP 7.4 中的改动

自从 PHP 7.4，所有二元赋值操作符的字节码发生了改变。见 UPGRADING.INTERNALS：

Compound assignment opcodes were changed. Instead of ZEND_ASSIGN_ADD (and others) with 0, ZEND_ASSIGN_DIM, ZEND_ASSIGN_OBJ or ZEND_ASSIGN_STATIC_PROP in extended value, now we use ZEND_ASSIGN_OP, ZEND_ASSIGN_DIM_OP, ZEND_ASSIGN_OBJ_OP and ZEND_ASSIGN_STATIC_PROP_OP with ZEND_ADD (or other) in extended_value.

即用新引入的 ZEND_ASSIGN_OP 操作符代替现有的各个二元赋值操作符，并在操作码的 extended_value 成员中存放赋值前操作对应操作符的指令码（如 ZEND_ADD 对应 ZEND_ASSIGN_ADD ）。

4.3 一元操作符

语法 指令码
~$a ZEND_BW_NOT
!$a ZEND_BOOL_NOT

一元操作符仅接受一个操作数（opline->op1），永远有返回值，而且允许修改操作数。

正如我们在 2.2 所述，一元操作符 -$a 和 +$a 没有对应的指令码，因为它们被编译为操作数与 -1 and 1 的乘法。如果在我们想要实现的逻辑中，-$a 与 $a * (-1) 不等价，则需要在 ZEND_MUL 的处理函数中加入一些额外的逻辑。

注意，在 PHP 7.3 和低于 7.3 的版本之间，存在如下的兼容性问题，即 $a * (-1) 和 (-1) * $a 的区别：

PHP 版本 语法 指令码 操作数 1 操作数 2
7.3 -$a or +$a ZEND_MUL $a -1 or 1
7.1, 7.2 -$a or +$a ZEND_MUL -1 or 1 $a

如下是在 ZEND_MUL 处理函数中同时实现重载 -$a 和 $a * $b 两个操作符的例子：

int mul_handler(zend_execute_data *execute_data) {
    return op_handler(execute_data, [] (auto zv1, auto zv2, auto rv) {
        if (Z_TYPE_P(zv1) == IS_OBJECT) {
#if PHP_VERISON_ID >= 70300
            if (Z_TYPE_P(zv2) == IS_LONG && Z_LVAL_P(zv2) == -1) {
                // 在这里处理 `-$zv1`
                return true;
            }
#endif
            // 在这里处理 `$zv1 * $zv2`
            return true;
        } else if (Z_TYPE_P(zv2) == IS_OBJECT) {
#if PHP_VERISON_ID < 70300
            if (Z_TYPE_P(zv1) == IS_LONG && Z_LVAL_P(zv1) == -1) {
                // 在这里处理 `-$zv2`
                return true;
            }
#endif
            // 在这里处理 `$zv1 * $zv2`
            return true;
        }
        return false;
    });
}

4.4 一元赋值操作符

语法 指令码
++$a ZEND_PRE_INC
$a++ ZEND_POST_INC
--$a ZEND_PRE_DEC
$a-- ZEND_POST_DEC

一元赋值操作符有两种。第一种是后缀自增/自减操作符，其行为与非赋值的一元操作符相同。第二种是前缀自增/自减操作符，它与二元赋值操作符的行为相同。

这不难理解，因为在常规的使用场景下，后缀自增/自减操作符需要将自己的初始值保存在一个临时变量中返回，而前缀自增/自减操作符先执行自增/自减操作再返回，无需释放临时变量。

例如，以下 PHP 代码：

$a = 0;
$a++;
++$a;
$b = ++$a;

会被编译为：

ASSIGN   $a, 0
POST_INC $a,   , ~1
FREE     ~1
PRE_INC  $a
PRE_INC  $a,   , @3
ASSIGN   $b, @3

4.5 无法重载操作符的情况

尝试编译以下代码：

$a = 2 + 3 * (7 + 9);
$b = 'foo' . 'bar';

我们会得到：

ASSIGN $a, 50
ASSIGN $b, "foobar"

可以看出，变量 $a 和 $b 的值在编译期已被确定，运行时没有数学运算和字符串拼接操作。对于任何一个只包含字面量和操作符的表达式，这种情况都是成立的。编译器会识别出它，并调用 zend_compile.h 中定义的函数 zend_const_expr_to_zval() 对其进行求值。在这个函数中，操作码处理函数是通过 get_binary_op()、get_unary_op() 等函数获取的。内置操作码处理函数的指针被硬编码在其中，因此，即使我们实现了自定义处理函数，它们也不会在这里被调用。

5. 补充

  • 如果读者需要一个完整可运行的例子，可以参考下面这个复数类的实现。它是我正在开发的一个 PHP 扩展的一部分。
  • 可自定义的操作码处理函数是一个强大的功能，它的用途远远不限于操作符重载。因为我们可以 hook 几乎所有在 Zend VM 中执行的指令，包括函数调用等。
    • 假设我们想要实现一个 profiler，我们可能会考虑对 ZEND_INIT_FCALL 和 ZEND_RETURN 注册处理函数。
  • 事物均有两面性。由于额外的函数调用开销，使用自定义的操作码处理函数会降低 PHP 程序整体的执行性能。
    • 当一个处理函数中包含了大量分支判断，最后还很可能返回一个 ZEND_USER_OPCODE_DISPATCH 时，你可能需要考虑一下，这个函数是否有实现的必要。
  • PHP

    PHP（Hypertext Preprocessor）是一种开源脚本语言。语法吸收了 C 语言、 Java 和 Perl 的特点，主要适用于 Web 开发领域，据说是世界上最好的编程语言。

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