PHP(本文所述案例PHP版本均为7.1.3)作为一门动态脚本措辞，其在zend虚拟机实行过程为：读入脚本程序字符串，经由词法剖析器将其转换为单词符号，接着语法剖析器从中创造语法构造后天生抽象语法树，再经静态编译器天生opcode，末了经阐明器仿照机器指令来实行每一条opcode。
在上述全体环节中，天生的opcode可以运用编译优化技能如去世代码删除、条件常量传播、函数内联等各种优化来精简opcode，达到提高代码的实行性能的目的。
PHP扩展opcache，针对天生的opcode基于共享内存支持了缓存优化。在此根本上又加入了opcode的静态编译优化。这里所述优化常日采取优化器（Optimizer）来管理，编译事理中，一样平常用优化遍(Opt pass)来描述每一个优化。
整体上说，优化遍分两种：
一种是剖析pass，是供应数据流、掌握流剖析信息为转换pass供应赞助信息；一种是转换pass，它会改变天生代码，包括增删指令、改变更换指令、调度指令顺序等，常日每一个pass前后可dump出生成代码的变革。本文基于编译事理，结合opcache扩展供应的优化器，以PHP编译基本单位op_array、PHP实行最小单位opcode为出发点。先容编译优化技能在Zend虚拟机中的运用，梳理各个优化遍是如何一步步优化opcode来提高代码实行性能的。末了结合PHP措辞虚拟机实行给出几点展望。
2.几个观点解释
1）静态编译／阐明实行／即时编译
静态编译（static compilation），也称事前编译（ahead-of-time compilation），简称AOT。即把源代码编译成目标代码，实行时在支持目标代码的平台上运行。
动态编译（dynamic compilation），相对付静态编译而言，指”在运行时进行编译”。常日情形下采取阐明器(interpreter)编译实行，它是指一条一条的阐明实行源措辞。
JIT编译（just-in-time compilation），即即时编译，狭义指某段代码即将第一次被实行时进行编译，而后则不用编译直接实行，它为动态编译的一种特例。
上述三类不同编译实行流程，可大体如下图来描述：
2）数据流／掌握流
编译优化须要从程序中获取足够多的信息，这是所有编译优化的根基。
编译器前端产生的结果可以是语法树亦可以是某种低级中间代码。但无论结果什么形式，它对程序做什么、如何做仍旧没有供应多少信息。编译器将创造每一个过程内掌握流层次构造的任务留给掌握流剖析，将确定与数据处理有关的全局信息任务留给数据流剖析。
掌握流 是获取程序掌握构造信息的形式化剖析方法，它为数据流剖析、依赖剖析的根本。掌握的一个基本模型是掌握流图（Control Flow Graph,CFG）。单一过程的掌握流剖析有利用必经结点找循环、区间剖析两种路子。数据流 从程序代码中网络程序的语义信息，并通过代数的方法在编译时确定变量的定义和利用。数据的一个基本模型是数据流图（Data Flow Graph,DFG）。常日的数据流剖析是基于掌握树的剖析（Control-tree-based data-flow analysis），算法分为区间剖析与构造剖析两种。3）op_array
类似于C措辞的栈帧（stack frame）观点，即一个运行程序的基本单位（一帧），一样平常为一次函数调用的基本单位。此处，一个函数或方法、全体PHP脚本文件、传给eval表示PHP代码的字符串都会被编译成一个op_array。
实现上op_array为一个包含程序运行基本单位的所有信息的构造体，当然opcode数组为该构造最为主要的字段，不过除此之外还包含变量类型、注释信息、非常捕获信息、跳转信息等。
4）opcode
阐明器实行(ZendVM)过程即是实行一个基本单位op_array内的最小优化opcode，按顺序遍历实行，实行当前opcode，会预取下一条opcode，直到末了一个RETRUN这个分外的opcode返回退出。
这里的opcode某种程度也类似于静态编译器里的中间表示(类似于LLVM IR)，常日也采取三地址码的形式，即包含一个操作符，两个操作数及一个运算结果。个中两个操作数均包含类型信息。此处类型信息有五种，分别为：
编译变量（Compiled Variable，简称CV），编译时变量即为php脚本中定义的变量。内部可重用变量（VAR），供ZendVM利用的临时变量，可与其它opcode共用。内部不可重用变量（TMP_VAR），供ZendVM利用的临时变量，不可与其它opcode共用。常量（CONST），只读常量，值不可被变动。无用变量(UNUSED)。由于opcode采取三地址码，不是每一个opcode均有操作数字段，缺省时用该变量补齐字段。类型信息与操作符一起，供实行器匹配选择特定已编译好的C函数库模板，仿照天生机器指令来实行。
opcode在ZendVM中以zend_op构造体来表征，其主体构造如下:
3.opcache optimizer优化器
PHP脚本经由词法剖析、语法剖析天生抽象语法树构造后，再经静态编译天生opcode。它作为向不同的虚拟机实行指令的公共平台，依赖不同的虚拟机详细实现(然对付PHP来说，大部分是指ZendVM)。
在虚拟机实行opcode之前，如果对opcode进行优化可得到实行效率更高的代码，pass的浸染便是优化opcode，它浸染于opcde、处理opcode、剖析opcode、探求优化的机会并修正opcode产生更高实行效率的代码。
1）ZendVM优化器简介
在Zend虚拟机（ZendVM）中，opcache的静态代码优化器即为zend opcode optimization。
为不雅观察优化效果及便于调试，它也供应了优化与调试选项：
optimizationlevel （opcache.optimizationlevel=0xFFFFFFFF） 优化级别，缺省打开大部分优化遍，用户亦通过传入命令行参数掌握关闭optdebuglevel （opcache.optdebuglevel=-1） 调试级别，缺省不打开，但供应了各优化前后opcode的变换过程实行静态优化所需的脚本高下文信息则封装在构造zend_script中，如下：
typedef struct _zend_script { zend_string filename; //文件名 zend_op_array main_op_array; //栈帧 HashTable function_table; //函数单位符号表信息 HashTable class_table; //类单位符号表信息} zend_script;
上述三个内容信息即作为输入参数通报给优化器供其剖析优化。当然与常日的PHP扩展类似，它与opcode缓存模块一起（zend_accel）构成了opcache扩展。其在缓存加速器内嵌入了三个内部API：
zendoptimizerstartup 启动优化器zendoptimizescript 优化器实现优化的主逻辑zendoptimizershutdown 优化器产生的资源清理关于opcode缓存，也是opcode非常主要的优化。其基本运用事理是大体如下：
虽然PHP作为动态脚本措辞，它并不会直接调用GCC/LLVM这样的整套编译器工具链，也不会调用Javac这样的纯前端编译器。但每次要求实行PHP脚本时，都经历过词法、语法、编译为opcode、VM实行的完全生命周期。
撤除实行外的前三个步骤基本便是一个前端编译器的完全过程，然而这个编译过程并不会快。如果反复实行相同的脚本，前三个步骤编译耗时将严重制约运行效率，而每次编译天生的opcode则没有变革。因此可在第一次编译时把opcode缓存到某一个地方，opcache扩展即是将其缓存到共享内存（Java则是保存到文件中），下次实行相同脚本时直接从共享内存中获取opcode，从而省去编译韶光。
opcache扩展的opcode 缓存流程大致如下：
由于本文紧张集中谈论静态优化遍，关于缓存优化的详细实现此处不展开。
2）ZendVM优化器事理
依“鲸书”(《高等编译器设计与实现》)所述，一个优化编译器较为合理的优化遍顺序如下：
上图中涉及的优化从大略的常量、去世代码到循环、分支跳转，从函数调用到过程间优化，从预取、缓存到软流水、寄存器分配，当然也包含数据流、掌握流剖析。
当然，当前opcode优化器并没有实现上述所有优化遍，而且也没有必要实现机器干系的低层中间表示优化如寄存器分配。
opcache优化器吸收到上述脚本参数信息后，找到最
注册的优化中，按一定顺序组织串联各优化，包含常量优化、冗余nop删除、函数调用优化的转换pass，及数据流剖析、掌握流剖析、调用关系剖析等剖析pass。
zendoptimizescript及实际的优化注册zend_optimize流程如下：
zend_optimize_script(zend_script script, zend_long optimization_level, zend_long debug_level) ｜zend_optimize_op_array(&script->main_op_array, &ctx); 遍历二元操作符的常量操作数，由运行时转化为编译时(反向pass2) 实际优化pass，zend_optimize 遍历二元操作符的常量操作数，由编译时转化为运行时(pass2) ｜遍历op_array内函数zend_optimize_op_array(op_array, &ctx); ｜遍历类内非用户函数zend_optimize_op_array(op_array, &ctx); (用户函数设static_variables) ｜若利用DFA pass & 调用图pass & 构建调用图成功 遍历二元操作符的常量操作数，由运行时转化为编译时(反向pass2) 设置函数返回值信息，供SSA数据流剖析利用 遍历调用图的op_array，做DFA剖析zend_dfa_analyze_op_array 遍历调用图的op_array，做DFA优化zend_dfa_optimize_op_array 若开调试，遍历dump调用图的每一个op_array(优化变换后) 若开栈纠正优化，纠正栈大小adjust_fcall_stack_size_graph 再次遍历调用图内的的所有op_array， 针对DFA pass变换后新产生的常量场景，常量优化pass2再跑一遍 调用图op_array资源清理 ｜若开栈纠正优化 纠正栈大小main_op_array 遍历纠正栈大小op_array ｜清理资源
该部分紧张调用了SSA/DFA/CFG这几类用于opcode剖析pass，涉及的pass有BB块、CFG、DFA(CFG、DOMINATORS、LIVENESS、PHI-NODE、SSA)。
用于opcode转换的pass则集中在函数zend_optimize内，如下：
zend_optimize ｜op_array类型为ZEND_EVAL_CODE，不做优化｜开debug， 可dump优化前内容｜优化pass1， 常量更换、编译时常量操作变换、大略操作转换｜优化pass2 常量操作转换、条件跳转指令优化｜优化pass3 跳转指令优化、自增转换｜优化pass4 函数调用优化(紧张为函数调用优化)｜优化pass5 掌握流图（CFG）优化 ｜构建流图 ｜打算数据依赖 ｜划分BB块(basic block，简称BB，数据流剖析基本单位) ｜BB块内基于数据流剖析优化 ｜BB块间跳转优化 ｜不可到达BB块删除 ｜BB块合并 ｜BB块外变量检讨 ｜重新构建优化后的op_array（基于CFG） ｜析构CFG ｜优化pass6/7 数据流剖析优化 ｜数据流剖析（基于静态单赋值SSA） ｜构建SSA ｜构建CFG 须要找到对应BB块序号、管理BB块数组、打算BB块后继BB、标记可到达BB块、打算BB块先驱BB ｜打算Dominator树 ｜标识循环是否可简化（紧张依赖于循环回边） ｜基于phi节点构建完SSA def集、phi节点位置、SSA布局重命名 ｜打算use-def链 ｜探求不当依赖、后继、类型及值范围值推断 ｜数据流优化 基于SSA信息，一系列BB块内opcode优化 ｜析构SSA｜优化pass9 临时变量优化｜优化pass10 冗余nop指令删除｜优化pass11 压缩常量表优化
还有其他一些优化遍如下：
优化pass12 纠正栈大小优化pass15 网络常量信息优化pass16 函数调用优化，紧张是函数内联优化
除此之外，pass 8/13/14可能为预留pass id。由此可看出当前供应给用户选项掌握的opcode转换pass有13个。但是这并不计入其依赖的数据流／掌握流的剖析pass。
3）函数内联pass的实现
常日在函数调用过程中，由于须要进行不同栈帧间切换，因此会有开辟栈空间、保存返回地址、跳转、返回到调用函数、返回值、回收栈空间等一系列函数调用开销。因此对付函数体适当大小情形下，把全体函数体嵌入到调用者（Caller）内部，从而不实际调用被调用者（Callee）是一个提升性能的利器。
由于函数调用与目标机的运用二进制接口（ABI）强干系，静态编译器如GCC/LLVM的函数内联优化基本是在指令天生之前完成。
ZendVM的内联则发生在opcode天生后的FCALL指令的更换优化，pass id为16，其事理大致如下：
｜ 遍历op_array中的opcode,找到DO_XCALL四个opcode之一｜ opcode ZEND_INIT_FCALL｜ opcode ZEND_INIT_FCALL_BY_NAMEZ ｜ 新建opcode，操作码置为ZEND_INIT_FCALL，打算栈大小， 更新缓存槽位，析构常量池字面量，更换当前opline的opcode｜ opcode ZEND_INIT_NS_FCALL_BY_NAME ｜ 新建opcode，操作码置为ZEND_INIT_FCALL，打算栈大小， 更新缓存槽位，析构常量池字面量，更换当前opline的opcode｜ 考试测验函数内联 ｜ 优化条件过滤 （每个优化pass常日有较多限定条件，某些场景下 由于缺少足够信息不能优化或出于代价考虑而打消） ｜ 方法调用ZEND_INIT_METHOD_CALL，直接返回不内联 ｜ 引用传参，直接返回不内联 ｜ 缺省参数为命名常量，直接返回不内联 ｜ 被调用函数有返回值，添加一条ZEND_QM_ASSIGN赋值opcode ｜ 被调用函数无返回值，插入一条ZEND_NOP空opcode ｜ 删除调用被内联函数的call opcode（即当前online的前一条opcode）
如下示例代码，当调用fname()时，利用字符串变量名fname来动态调用函数foo，而没有利用直接调用的办法。此时可通过VLD扩展查看其天生的opcode，或打开opcache调试选项(opcache.optdebuglevel=0xFFFFFFFF)亦可查看。
function foo() { } $fname = 'foo';
开启debug后dump可看出，发生函数调用优化前opcode序列（仅截取片段）为：
ASSIGN CV0($fname) string(\公众foo\公众) INIT_FCALL_BY_NAME 0 CV0($fname) DO_FCALL_BY_NAME
INIT_FCALL_BY_NAME这条opcode实行逻辑较为繁芜，当开启激进内联优化后，可将上述指令序列直接合并成一条DO_FCALL string(“foo”)指令，省去间接调用的开销。这样也恰好与直接调用天生的opcode同等。
4）如何为opcache opt添加一个优化pass
根据以上描述，可见向当前优化器加入一个pass并不会太难，大体步骤如下：
先向zend_optimize优化器注册一个pass宏(例如添加pass17)，并决定其优化级别。在优化管理器某个优化pass前后调用加入的pass（例如添加一个尾递归优化pass），建议在DFA/SSA剖析pass之后添加，由于此时得到的优化信息更多。实现新加入的pass，进行定制代码转换（例如zendoptimizefunc_calls实现一个尾递归优化）。针对当前已有pass，紧张添加转换pass，这里一样平常也可利用SSA/DFA的信息。不同于静态编译优化一样平常是在贴近于机器干系的低层中间表示优化，这里紧张是在opcode层的opcode／operand相应的一些转换。实现pass前，与函数内联类似，常日首先网络优化所需信息，然后打消掉不适用该优化的一些场景（如非真正的尾不递归调用、参数问题无法做优化等）。实现优化后，可dump优化前后天生opcode构造的变革是否优化精确、是否符合预期（如尾递归优化终极的效果是变换函数调用为forloop的形式）。4.一点思考
以下是对基于动态的PHP脚本程序实行的一些意见，仅供参考。
由于LLVM从前端到后端，从静态编译到jit全体工具链框架的支持，使得许多措辞虚拟机都考试测验整合。当前PHP7时期的ZendVM官方还没采取，缘故原由之一虚拟机opcode承载着相称繁芜的剖析事情。比较于静态编译器的机器码每一条指令常日只干一件事情（常日是CPU指令时钟周期），opcode的操作数（operand）由于类型不固定，须要在运行期间做大量的类型检讨、转换才能进走运算，这极度影响了实行效率。纵然运行时采取jit，以byte code为单位编译，编译出的字节码也会与现有阐明器一条一条opcode处理类似，类型须要处理、也不能把zval值直接存在寄存器。
以函数调用为例，比较现有的opcode实行与静态编译成机器码实行的差异，如下图：
类型推断
在不改变现有opcode设计的条件下，加强类型推断能力，进而为opcode的实行供应更多的类型信息，是提高实行性能的可选方法之一。
多层opcode
既然opcode承担如此繁芜的剖析事情，能否将其分解成多层的opcode归一化中间表示( intermediate representation, IR)。各优化可选择运用哪一层中间表示，传统编译器的中间表示依据所携带信息量、从抽象的高等措辞到贴近机器码，分成高等中间表示（HIR） 、中级中间表示（MIR）、低级中间表示（LIR）。
pass管理
关于opcode的优化pass管理，如前文鲸书图所述，该当尚有改进空间。虽然当前剖析依赖的有数据流／掌握流剖析，但仍短缺诸如过程间的剖析优化，pass管理如运行顺序、运行次数、注册管理、繁芜pass剖析的信息dump等相对付llvm等成熟框架仍有较大差距。
JIT
ZendVM实现大量的zval值、类型转换等操作，这些可借助LLVM编译成机器码用于运行时，但代价是编译韶光极速膨胀。当然也可采取libjit。
