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看看PHP 7中怎么优化递归的!

转载2021-09-06 19:33:500649
本篇文章带大家了解一下递归,介绍一下PHP 7 中对递归的优化。

⒈ 递归

  递归因其简洁、优雅的特性在编程中经常会被使用。递归的代码更具声明性和自我描述性。递归不需要像迭代那样解释如何获取值,而是在描述函数的最终结果。

  以累加和斐波那契数列的实现为例:

  • 迭代方式实现
// 累加函数
// 给定参数 n,求小于等于 n 的正整数的和
function sumBelow(int $n)
{
    if ($n <= 0) {
        return 0;
    }
    $result = 0;
    for ($i = 1; $i <= $n; $i ++) {
        $result += $i;
    }
    return $result;
}

// 斐波那契数列
// 给定参数 n,取得斐波那契数列中第 n 项的值
// 这里用数组模拟斐波那契数列,斐波那契数列第一项为 1,第二项为 2,初始化数组 $arr = [1, 1],则斐波那契数列第 n 项的值为 $arr[n] = $arr[n-1] + $arr[n-2]
function fib(int $n)
{
    if ($n <= 0) {
        return false;
    }
    if ($n == 1) {
        return 1;
    }
    $arr = [1, 1];
    for ($i = 2, $i <= $n; $i ++) {
        $arr[$i] = $arr[$i - 1] + $arr[$i - 2];
    }
    return $arr[$n];
}
  • 递归方式实现
// 累加函数
function sumBelow(int $n) 
{
    if ($n <= 1) {
        return 1;
    }
    return $n + sumBelow($n - 1);
}

// 斐波那契数列
function fib(int $n) 
{
    if ($n < 2) {
        return 1;
    }
    return fib($n - 1) + fib($n - 2);
}

  相比之下,递归的实现方式更简洁明了,可读性更强,更容易理解。

⒉ 递归存在的问题

  程序中的函数调用,在底层通常需要遵循一定的调用约定(calling convention)。通常的过程是:

  • 首先将函数的参数和返回地址入栈
  • 然后 CPU 开始执行函数体中的代码
  • 最后在函数执行完成之后销毁这块占空间,CPU 回到返回地址所指的位置

  这个过程在低级语言(例如汇编)中非常快,因为低级语言直接与 CPU 交互,而 CPU 的运行速度非常快。在 x86_64 架构的 Linux 中,参数往往直接通过寄存器传递,内存中的栈空间会被预加载到 CPU 的缓存中,这样 CPU 反问栈空间会非常非常快。

  同样的过程在高级语言(例如 PHP)中却截然不同。高级语言无法直接与 CPU 交互,需要借助虚拟机来虚拟化一套自身的堆、栈等概念。同时,还需要借助虚拟机来维护和管理这套虚拟化出来的堆栈。

  高级语言中的函数调用过程相较于低级语言已经很慢,而递归会让这种情况雪上加霜。以上例中的累加函数为例,每到一个 sumBelow,ZVM 都需要构造一个函数调用栈(具体调用栈的构造之前的文章已经讲过),随着 n 的增大,需要构造的调用栈会越来越多,最终导致内存溢出。相较于累加函数,斐波那契函数的递归会使得调用栈的数量呈现几何级数式的增加(因为每一个调用栈最终会新产生两个调用栈)。

2.gif

⒊ 使用蹦床函数(trampoline)和尾调用(tail call)来优化递归

  ① 尾调用

  尾调用指的是一个函数最后只返回对自身的调用,再没有其他的任何操作。由于函数返回的是对自身的调用,因此编译器可以复用当前的调用栈而不需要新建调用栈。

3.gif

  将前述的累加函数和斐波那契函数改为尾调用的实现方式,代码如下

// 累加函数的尾调用方式实现
function subBelow(int $n, int $sum = 1)
{
    if ($n <= 1) {
        return $sum;
    }
    
    return subBelow($n - 1, $sum + $n);
}

// 斐波那契函数的尾调用实现
function fib(int $n, int $acc1 = 1, int $acc2 = 2) 
{
    if ($n < 2) {
        return $acc1;
    }
    
    return fib($n - 1, $acc1 + $acc2, $acc1);
}

  ② 蹦床函数

  累加函数相对简单,可以很方便的转换成尾调用的实现方式。斐波那契函数的尾调用实现方式就相对比较麻烦。但在实际应用中,很多递归夹杂着很多复杂的条件判断,在不同的条件下进行不同方式的递归。此时,无法直接把递归函数转换成尾调用的形式,需要借助蹦床函数。

  所谓蹦床函数,其基本原理是将递归函数包装成迭代的形式。以累加函数为例,首先改写累加函数的实现方式:

function trampolineSumBelow(int $n, int $sum = 1)
{
    if ($n <= 1) {
        return $sum;
    }
    
    return function() use ($n, $sum) { return trampolineSumBelow($n - 1, $sum + $n); };
}

  在函数的最后并没有直接进行递归调用,而是把递归调用包装进了一个闭包,而闭包函数不会立即执行。此时需要借助蹦床函数,如果蹦床函数发现返回的是一个闭包,那么蹦床函数会继续执行返回的闭包,知道蹦床函数发现返回的是一个值。

function trampoline(callable $cloure, ...$args)
{
    while (is_callable($cloure)) {
        $cloure = $cloure(...$args);
    }
    
    return $cloure;
}

echo trampoline('trampolineSumBelow', 100);

  蹦床函数是一种比较通用的解决递归调用的问题的方式。在蹦床函数中,返回的闭包被以迭代的方式执行,避免了函数递归导致的内存溢出。

⒋ ZVM 中对递归的优化

  在 PHP 7 中,通过尾调用的方式优化递归主要应用在对象的方法中。仍然以累加函数为例:

class Test
{
    public function __construct(int $n)
    {
        $this->sum($n);
    }

    public function sum(int $n, int $sum = 1)
    {
        if ($n <= 1) {
            return $sum;
        }

        return $this->sum($n - 1, $sum + $n);
    }
}

$t = new Test($argv[1]);
echo memory_get_peak_usage(true), PHP_EOL;

// 经测试,在 $n <= 10000 的条件下,内存消耗的峰值恒定为 2M

  以上代码对应的 OPCode 为:

// 主函数
L0:    V2 = NEW 1 string("Test")
L1:    CHECK_FUNC_ARG 1
L2:    V3 = FETCH_DIM_FUNC_ARG CV1($argv) int(1)
L3:    SEND_FUNC_ARG V3 1
L4:    DO_FCALL
L5:    ASSIGN CV0($t) V2
L6:    INIT_FCALL 1 96 string("memory_get_peak_usage")
L7:    SEND_VAL bool(true) 1
L8:    V6 = DO_ICALL
L9:    ECHO V6
L10:   ECHO string("
")
L11:   RETURN int(1)

// 构造函数
L0:     CV0($n) = RECV 1
L1:     INIT_METHOD_CALL 1 THIS string("sum")
L2:     SEND_VAR_EX CV0($n) 1
L3:     DO_FCALL
L4:     RETURN null

// 累加函数
L0:    CV0($n) = RECV 1
L1:    CV1($sum) = RECV_INIT 2 int(1)
L2:    T2 = IS_SMALLER_OR_EQUAL CV0($n) int(1)
L3:    JMPZ T2 L5
L4:    RETURN CV1($sum)
L5:    INIT_METHOD_CALL 2 THIS string("sum")
L6:    T3 = SUB CV0($n) int(1)
L7:    SEND_VAL_EX T3 1
L8:    T4 = ADD CV1($sum) CV0($n)
L9:    SEND_VAL_EX T4 2
L10:   V5 = DO_FCALL
L11:   RETURN V5
L12:   RETURN null

  当 class 中的累加函数 sum 发生尾调用时执行的 OPCode 为 DO_FCALL ,对应的底层实现为:

# define ZEND_VM_CONTINUE() return
# define LOAD_OPLINE() opline = EX(opline)
# define ZEND_VM_ENTER() execute_data = EG(current_execute_data); LOAD_OPLINE(); ZEND_VM_INTERRUPT_CHECK(); ZEND_VM_CONTINUE()

static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_DO_FCALL_SPEC_RETVAL_USED_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
{
	USE_OPLINE
	zend_execute_data *call = EX(call);
	zend_function *fbc = call->func;
	zend_object *object;
	zval *ret;

	SAVE_OPLINE();
	EX(call) = call->prev_execute_data;
	/* 判断所调用的方法是否为抽象方法或已废弃的函数 */
	/* ... ... */

	LOAD_OPLINE();

	if (EXPECTED(fbc->type == ZEND_USER_FUNCTION)) {
		/* 所调用的方法为开发者自定义的方法 */
		ret = NULL;
		if (1) {
			ret = EX_VAR(opline->result.var);
			ZVAL_NULL(ret);
		}

		call->prev_execute_data = execute_data;
		i_init_func_execute_data(call, &fbc->op_array, ret);

		if (EXPECTED(zend_execute_ex == execute_ex)) {
			/* zend_execute_ex == execute_ex 说明方法调用的是自身,发生递归*/
			ZEND_VM_ENTER();
		} else {
			ZEND_ADD_CALL_FLAG(call, ZEND_CALL_TOP);
			zend_execute_ex(call);
		}
	} else if (EXPECTED(fbc->type < ZEND_USER_FUNCTION)) {
		/* 内部方法调用 */
		/* ... ... */
	} else { /* ZEND_OVERLOADED_FUNCTION */
		/* 重载的方法 */
		/* ... ... */
	}

fcall_end:
	/* 异常判断以及相应的后续处理 */
	/* ... ... */

	zend_vm_stack_free_call_frame(call);
	/* 异常判断以及相应的后续处理 */
	/* ... ... */

	ZEND_VM_SET_OPCODE(opline + 1);
	ZEND_VM_CONTINUE();
}

  从 DO_FCALL 的底层实现可以看出,当发生方法递归调用时(zend_execute_ex == execute_ex),ZEND_VM_ENTER() 宏将 execute_data 转换为当前方法的 execute_data ,同时将 opline 又置为 execute_data 中的第一条指令,在检查完异常(ZEND_VM_INTERRUPT_CHECK())之后,返回然后重新执行方法。

  通过蹦床函数的方式优化递归调用主要应用在对象的魔术方法 __call__callStatic 中。

class A
{
    private function test($n)
    {
        echo "test $n", PHP_EOL;
    }

    public function __call($method, $args)
    {
        $this->$method(...$args);
        var_export($this);
        echo PHP_EOL;
    }
}

class B extends A
{
    public function __call($method, $args)
    {
        (new parent)->$method(...$args);
        var_export($this);
        echo PHP_EOL;
    }
}

class C extends B
{
    public function __call($method, $args)
    {
        (new parent)->$method(...$args);
        var_export($this);
        echo PHP_EOL;
    }
}

$c = new C();
//$c->test(11);
echo memory_get_peak_usage(), PHP_EOL;

// 经测试,仅初始化 $c 对象消耗的内存峰值为 402416 字节,调用 test 方法所消耗的内存峰值为 431536 字节

  在对象中尝试调用某个方法时,如果该方法在当前对象中不存在或访问受限(protectedprivate),则会调用对象的魔术方法 __call(如果通过静态调用的方式,则会调用 __callStatic)。在 PHP 的底层实现中,该过程通过 zend_std_get_method 函数实现

static union _zend_function *zend_std_get_method(zend_object **obj_ptr, zend_string *method_name, const zval *key)
{
	zend_object *zobj = *obj_ptr;
	zval *func;
	zend_function *fbc;
	zend_string *lc_method_name;
	zend_class_entry *scope = NULL;
	ALLOCA_FLAG(use_heap);

	if (EXPECTED(key != NULL)) {
		lc_method_name = Z_STR_P(key);
#ifdef ZEND_ALLOCA_MAX_SIZE
		use_heap = 0;
#endif
	} else {
		ZSTR_ALLOCA_ALLOC(lc_method_name, ZSTR_LEN(method_name), use_heap);
		zend_str_tolower_copy(ZSTR_VAL(lc_method_name), ZSTR_VAL(method_name), ZSTR_LEN(method_name));
	}
	
	/* 所调用的方法在当前对象中不存在 */
	if (UNEXPECTED((func = zend_hash_find(&zobj->ce->function_table, lc_method_name)) == NULL)) {
		if (UNEXPECTED(!key)) {
			ZSTR_ALLOCA_FREE(lc_method_name, use_heap);
		}
		if (zobj->ce->__call) {
			/* 当前对象存在魔术方法 __call */
			return zend_get_user_call_function(zobj->ce, method_name);
		} else {
			return NULL;
		}
	}
	/* 所调用的方法为 protected 或 private 类型时的处理逻辑 */
	/* ... ... */
}


static zend_always_inline zend_function *zend_get_user_call_function(zend_class_entry *ce, zend_string *method_name)
{
	return zend_get_call_trampoline_func(ce, method_name, 0);
}


ZEND_API zend_function *zend_get_call_trampoline_func(zend_class_entry *ce, zend_string *method_name, int is_static)
{
	size_t mname_len;
	zend_op_array *func;
	zend_function *fbc = is_static ? ce->__callstatic : ce->__call;

	ZEND_ASSERT(fbc);

	if (EXPECTED(EG(trampoline).common.function_name == NULL)) {
		func = &EG(trampoline).op_array;
	} else {
		func = ecalloc(1, sizeof(zend_op_array));
	}

	func->type = ZEND_USER_FUNCTION;
	func->arg_flags[0] = 0;
	func->arg_flags[1] = 0;
	func->arg_flags[2] = 0;
	func->fn_flags = ZEND_ACC_CALL_VIA_TRAMPOLINE | ZEND_ACC_PUBLIC;
	if (is_static) {
		func->fn_flags |= ZEND_ACC_STATIC;
	}
	func->opcodes = &EG(call_trampoline_op);

	func->prototype = fbc;
	func->scope = fbc->common.scope;
	/* reserve space for arguments, local and temorary variables */
	func->T = (fbc->type == ZEND_USER_FUNCTION)? MAX(fbc->op_array.last_var + fbc->op_array.T, 2) : 2;
	func->filename = (fbc->type == ZEND_USER_FUNCTION)? fbc->op_array.filename : ZSTR_EMPTY_ALLOC();
	func->line_start = (fbc->type == ZEND_USER_FUNCTION)? fbc->op_array.line_start : 0;
	func->line_end = (fbc->type == ZEND_USER_FUNCTION)? fbc->op_array.line_end : 0;

	//??? keep compatibility for "\0" characters
	//??? see: Zend/tests/bug46238.phpt
	if (UNEXPECTED((mname_len = strlen(ZSTR_VAL(method_name))) != ZSTR_LEN(method_name))) {
		func->function_name = zend_string_init(ZSTR_VAL(method_name), mname_len, 0);
	} else {
		func->function_name = zend_string_copy(method_name);
	}

	return (zend_function*)func;
}


static void zend_init_call_trampoline_op(void)
{
	memset(&EG(call_trampoline_op), 0, sizeof(EG(call_trampoline_op)));
	EG(call_trampoline_op).opcode = ZEND_CALL_TRAMPOLINE;
	EG(call_trampoline_op).op1_type = IS_UNUSED;
	EG(call_trampoline_op).op2_type = IS_UNUSED;
	EG(call_trampoline_op).result_type = IS_UNUSED;
	ZEND_VM_SET_OPCODE_HANDLER(&EG(call_trampoline_op));
}

  ZEND_CALL_TRAMPOLINE 的底层实现逻辑:

static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL ZEND_CALL_TRAMPOLINE_SPEC_HANDLER(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
{
	zend_array *args;
	zend_function *fbc = EX(func);
	zval *ret = EX(return_value);
	uint32_t call_info = EX_CALL_INFO() & (ZEND_CALL_NESTED | ZEND_CALL_TOP | ZEND_CALL_RELEASE_THIS);
	uint32_t num_args = EX_NUM_ARGS();
	zend_execute_data *call;
	USE_OPLINE

	args = emalloc(sizeof(zend_array));
	zend_hash_init(args, num_args, NULL, ZVAL_PTR_DTOR, 0);
	if (num_args) {
		zval *p = ZEND_CALL_ARG(execute_data, 1);
		zval *end = p + num_args;

		zend_hash_real_init(args, 1);
		ZEND_HASH_FILL_PACKED(args) {
			do {
				ZEND_HASH_FILL_ADD(p);
				p++;
			} while (p != end);
		} ZEND_HASH_FILL_END();
	}

	SAVE_OPLINE();
	call = execute_data;
	execute_data = EG(current_execute_data) = EX(prev_execute_data);

	ZEND_ASSERT(zend_vm_calc_used_stack(2, fbc->common.prototype) <= (size_t)(((char*)EG(vm_stack_end)) - (char*)call));

	call->func = fbc->common.prototype;
	ZEND_CALL_NUM_ARGS(call) = 2;

	ZVAL_STR(ZEND_CALL_ARG(call, 1), fbc->common.function_name);
	ZVAL_ARR(ZEND_CALL_ARG(call, 2), args);
	zend_free_trampoline(fbc);
	fbc = call->func;

	if (EXPECTED(fbc->type == ZEND_USER_FUNCTION)) {
		if (UNEXPECTED(!fbc->op_array.run_time_cache)) {
			init_func_run_time_cache(&fbc->op_array);
		}
		i_init_func_execute_data(call, &fbc->op_array, ret);
		if (EXPECTED(zend_execute_ex == execute_ex)) {
			ZEND_VM_ENTER();
		} else {
			ZEND_ADD_CALL_FLAG(call, ZEND_CALL_TOP);
			zend_execute_ex(call);
		}
	} else {
		/* ... ... */	
	}

	/* ... ... */
}

   从 ZEND_CALL_TRAMPOLINE 的底层实现可以看出,当发生 __call 的递归调用时(上例中 class Cclass Bclass A 中依次发生 __call 的调用),ZEND_VM_ENTERexecute_dataopline 进行变换,然后重新执行。

  递归之后还需要返回,返回的功能在 RETURN 中实现。所有的 PHP 代码在编译成 OPCode 之后,最后一条 OPCode 指令一定是 RETURN(即使代码中没有 return,编译时也会自动添加)。而在 ZEND_RETURN 中,最后一步要执行的操作为 zend_leave_helper ,递归的返回即时在这一步完成。

# define LOAD_NEXT_OPLINE() opline = EX(opline) + 1
# define ZEND_VM_CONTINUE() return
# define ZEND_VM_LEAVE() ZEND_VM_CONTINUE()

static ZEND_OPCODE_HANDLER_RET ZEND_FASTCALL zend_leave_helper_SPEC(ZEND_OPCODE_HANDLER_ARGS)
{
	zend_execute_data *old_execute_data;
	uint32_t call_info = EX_CALL_INFO();

	if (EXPECTED((call_info & (ZEND_CALL_CODE|ZEND_CALL_TOP|ZEND_CALL_HAS_SYMBOL_TABLE|ZEND_CALL_FREE_EXTRA_ARGS|ZEND_CALL_ALLOCATED)) == 0)) {
		/* ... ... */

		LOAD_NEXT_OPLINE();
		ZEND_VM_LEAVE();
	} else if (EXPECTED((call_info & (ZEND_CALL_CODE|ZEND_CALL_TOP)) == 0)) {
		i_free_compiled_variables(execute_data);

		if (UNEXPECTED(call_info & ZEND_CALL_HAS_SYMBOL_TABLE)) {
			zend_clean_and_cache_symbol_table(EX(symbol_table));
		}
		EG(current_execute_data) = EX(prev_execute_data);
		/* ... ... */

		zend_vm_stack_free_extra_args_ex(call_info, execute_data);
		old_execute_data = execute_data;
		execute_data = EX(prev_execute_data);
		zend_vm_stack_free_call_frame_ex(call_info, old_execute_data);

		if (UNEXPECTED(EG(exception) != NULL)) {
			const zend_op *old_opline = EX(opline);
			zend_throw_exception_internal(NULL);
			if (RETURN_VALUE_USED(old_opline)) {
				zval_ptr_dtor(EX_VAR(old_opline->result.var));
			}
			HANDLE_EXCEPTION_LEAVE();
		}

		LOAD_NEXT_OPLINE();
		ZEND_VM_LEAVE();
	} else if (EXPECTED((call_info & ZEND_CALL_TOP) == 0)) {
		/* ... ... */

		LOAD_NEXT_OPLINE();
		ZEND_VM_LEAVE();
	} else {
		/* ... ... */
	}
}

  在 zend_leave_helper 中,execute_data 又被换成了 prev_execute_data ,然后继续执行新的 execute_dataopline(注意:这里并没有将 opline 初始化为 execute_dataopline 的第一条 OPCode,而是接着之前执行到的位置继续执行下一条 OPCode)。

推荐学习:《PHP视频教程

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