PHP 7の誕生によって、抽象的な構文ツリー、ジャストインタイムコンパイラ、静的分析などに関する議論は終わりませんが、これらすべての用語はどういう意味ですか？これらは、PHPの生産性を高める魔法の特性ですか？もしそうなら、それはどのようにすべて機能しますか？この記事では、プログラミング言語がどのように機能するかの基本を調べ、PHPスクリプトなど、コンピューターが起動する前に完了する必要のあるプロセスについて説明します。

コードの解釈

しかし、これがすべてどのように機能するかについて話す前に、1つの簡単な例を見てみましょう。新しいプログラミング言語があることを想像してみてください（名前は何であれ）。言語は非常にシンプルです：

各行は式、
各式はコマンド （演算子）で構成されます
コマンドが操作する値（オペランド）の数。

例：

set a 1

set b 2

add abc

print c

これは単純な言語なので、このコードは画面3にのみ表示されると安全に想定できます。set演算子は変数を受け取り、それに番号を割り当てます（PHPの$a=1

ように）。 add

ステートメントは、追加する2つの変数を取り、3番目の変数に結果を保存します。 print

ステートメントはそれを表示します。

次に、各「式」を読み取り、演算子とオペランドを見つけて、特定の演算子に応じてそれらを使用して何かを実行するプログラムを作成しましょう。リスト1を見るとわかるように、これはPHPでの実装は非常に簡単です。

リスト1

 01. <?php 02. 03. $lines = file($argv[1]); 04. 05. $linenr = 0; 06. foreach ($lines as $line) { 07. $linenr++; 08. $operands = explode(" ", trim($line)); 09. $command = array_shift($operands); 10. 11. switch ($command) { 12. case 'set' : 13. $vars[$operands[0]] = $operands[1]; 14. break; 15. case 'add' : 16. $vars[$operands[2]] = $vars[$operands[0]] + $vars[$operands[1]]; 17. break; 18. case 'print' : 19. print $vars[$operands[0]] . "\n"; 20. break; 21. default : 22. throw new Exception(sprintf("Unknown command in line %s\n", $linenr)); 23. } 24. }

これは非常にシンプルなプログラムであり、新しい言語で次のWebアプリケーションを作成する必要はありません。しかし、この例は、新しい言語を作成し、この言語を読み取って実行できるプログラムを取得することがいかに簡単かを理解するのに役立ちます。この場合、ソースファイルを1行ずつ読み取り、現在の演算子に応じてコードを実行します。アプリケーションを実行するために、アセンブラーまたはバイナリコードに変換する必要はありません。既にうまく機能しています。プログラムを実行するこの方法は、解釈と呼ばれます。たとえば、基本プログラムは多くの場合、この方法で実行されます。各式が読み取られ、すぐに高レベルモードで実行されます。

しかし、多くの問題があります。それらの1つは、同様の言語プロセッサの作成は非常に簡単ですが、新しい言語は非常にゆっくり実行されることです。結局、各行を処理し、チェックする必要があります：

どのオペレーターを実行する必要がありますか？
これは正しい演算子ですか？
彼は適切な数のオペランドを持っていますか？

しかし、他のタスクを忘れてはなりません。たとえば、setステートメントは変数のみ数値または文字列値を割り当てることができますか？または、他の変数の値も？各式を適切に処理するには、これらすべての質問に答える必要があります。 set 1

4を書き込むとどうなりますか？つまり、この方法では、高速実行アプリケーションを作成することはほとんど不可能です。

しかし、そのゆとりにかかわらず、解釈には利点があります。変更のたびにプログラムをすぐに実行できます。注意：PHPスクリプトで何かを変更すると、すぐに実行して変更を確認できます。これは、PHPがインタープリター言語であることを意味しますか？現時点では、はいと仮定します。 PHPスクリプトは、仮想の単純な言語のように解釈されます。しかし、次のセクションでは、これに戻ります！

トランスコンパイル

プログラムを「高速」にするにはどうすればよいですか？これはさまざまな方法で実行できます。 Facebookで開発されたそのうちの1つはHipHopと呼ばれます（現在使用されているHHVMではなく、「古い」HipHopシステムを意味します）。 HipHopは、ある言語（PHP）を別の言語（C ++）に変換しました。変換結果は、C ++コンパイラを使用してバイナリコードに変換できます。彼のコンピューターは、インタープリターの形で追加の負荷なしに理解して実行することができます。その結果、膨大な量のコンピューティングリソースが節約され、アプリケーションの実行速度が大幅に向上します。

この方法は、ソースからソースへのコンパイル、トランスコンパイル、またはトランスコンパイルとも呼ばれます。実際には、バイナリコードへのコンパイルではなく、既存のコンパイラによってマシンコードにコンパイルできるものへの変換です。

トランスコンパイルを使用すると、バイナリコードを直接実行できるため、パフォーマンスが向上します。ただし、このメソッドには欠点があります。コードを実行する前に、最初にトランスコンパイルを行い、次に実際のコンパイルを行う必要があります。ただし、これはアプリケーションに変更が加えられた場合、つまり開発中にのみ行う必要があります。

トランスコンパイルは、ハード言語をより単純かつ動的にするためにも使用されます。たとえば、ブラウザはLESS、SASS、SCSSで記述されたコードを理解しません。しかし、その後、ブラウザが理解できるCSSに置き換えることができます。 CSSは保守が簡単ですが、追加でトランスコンパイルする必要があります。

編集

すべてがさらに速く動作するためには、トランスコンパイルの段階を取り除く必要があります。つまり、私たちの言語をすぐにバイナリコードにコンパイルし、解釈やトランスコンパイルの形で追加の負荷をかけずにすぐに実行できます。

残念ながら、コンパイラを書くことは、コンピューターサイエンスで最も難しいタスクの1つです。たとえば、バイナリコードにコンパイルする場合、32ビットLinux、64ビットWindows、または一般的なOS Xで実行するコンピューターを検討する必要がありますが、解釈されたスクリプトはどこでも簡単に実行できます。 PHPのように、スクリプトがどこで実行されるかを心配する必要はありません。特定のOS向けのコードが存在する場合がありますが、他のシステムでスクリプトを実行することはできませんが、これはインタープリターの問題ではありません。

しかし、トランスコンパイルの段階をなくしても、コンパイルから逃げることはできません。たとえば、C（コンパイルされた言語）で書かれた大きなプログラムは、ほぼ1時間コンパイルできます。 PHPでアプリケーションを作成し、変更が機能するかどうかを確認するまでさらに10分待つ必要があると想像してください。

最善を尽くして

解釈の実行に時間がかかり、コンパイルが実装が難しく、開発に時間がかかる場合、PHP、Python、Rubyなどの言語はどのように機能しますか？彼らはかなり速いです！

これは、解釈とコンパイルの両方を使用するためです。それがどうなるか見てみましょう。

架空の言語をバイナリコードに直接変換するのではなく、それに非常によく似たもの（「バイトコード」と呼ばれる）に変換できるとしたらどうでしょうか。このバイトコードがコンピューターの動作に非常に近い場合、その解釈は非常に高速になります（たとえば、1秒あたり数百万のバイトコード）。これにより、アプリケーションはコンパイルされたものとほぼ同じ速度になり、インタープリター言語のすべての利点が保持されます。最も重要なことは、変更ごとにスクリプトをコンパイルする必要がないことです。

とても魅力的です。実際、多くの言語は同様の方法で動作します-PHP、Ruby、Python、さらにはJava。ソースコードの行を順番に読み取って解釈する代わりに、これらの言語は異なるアプローチを使用します。

手順1.スクリプト（PHP）を完全にメモリに読み込みます。
ステップ2.スクリプトを完全にバイトコードに変換/コンパイルします。
ステップ3.インタープリター（PHP）を使用してバイトコードを実行します。

実際、さらに多くのステップがあり、実際にはプロセス全体がはるかに複雑です。ただし、一般に、説明されている3つの手順は、コマンドラインからスクリプトを実行するか、Webサーバーを介して要求を実行するのに十分です。

プロセスは簡単に最適化できます。Webサーバーを起動し、各リクエストがindex.php

スクリプトを実行するとします。メモリに毎回ロードするのはなぜですか？リクエストごとにすばやく変換できるように、ファイルをキャッシュすることをお勧めします。

別の最適化：バイトコードを生成した後、後続のすべてのリクエストに使用できます。したがって、それもキャッシュできます（最も重要なことは、ソースファイルが変更されたときに、バイトコードが再コンパイルされることを確認してください）。これは、PHPのOPCache拡張機能のように、オペコードキャッシュが行うこととまったく同じです。コンパイルされたスクリプトは、過剰なダウンロードやバイトコードへのコンパイルなしに後続のリクエストですばやく実行できるようにキャッシュされます。

最後に、高速化の最後のステップは、PHPインタープリターによるバイトコードの実行です。次のパートでは、これを従来の通訳者と比較します。混乱を避けるため、このようなバイトコードインタープリターは、「仮想マシン」と呼ばれます。これは、ある程度までマシン（コンピューター）の作業をコピーするためです。これを、VirtualBoxやVMwareなどのコンピューターで実行されている仮想マシンと混同しないでください。これは、Javaの世界のJVM（Java仮想マシン）やPHPの世界のHHVM（HipHop仮想マシン）のようなものです。 PythonとRubyには独自の仮想マシンがあります。ある意味では、これらはすべて非常に専門的で生産的なバイトコードインタープリターです。

各VMは、特定の言語によって生成された独自のバイトコードを実行しますが、互いに互換性がありません。 Python VMでPHPバイトコードを実行することはできません。逆の場合も同様です。ただし、PHPスクリプトをバイトコードにコンパイルするプログラムを作成することは理論的には可能であり、これはPython VMによって理解されます。したがって、理論的には、PythonでPHPスクリプトを実行できます（深刻な課題です！）。

バイトコード

バイトコードはどのように見え、動作しますか？ 2つの例を見てみましょう。 PHPコードを取得します。

 $a = 3; echo "hello world"; print $a + 1;

3v4l.orgを使用するか、VLD拡張機能をインストールすることにより、そのバイトコードを表示できます。次のものが得られます。

次に、同様のPythonの例を取り上げます。

 def foobar(): a = 1 print "hello world", print a + 4

Pythonはオペコードを直接生成できます©python：

dis.dis（func）：

2つの単純なスクリプトとそのバイトコードがあります。バイトコードは、記事の冒頭で「作成」した言語に似ていることに注意してください。各行は、任意の数のオペランドを持つ演算子です。 PHPバイトコードでは、接頭辞が変数に追加されます！したがって、0は変数0を意味します。$ a変数を使用することは重要ではありません。コンパイル中、変数名は値を失い、数値に変換されます。これにより、仮想マシンによる処理が促進および加速されます。必要な「チェック」のほとんどはコンパイル段階で実行されます。これにより、仮想マシンから負荷が取り除かれ、速度が向上します。

バイトコードは単純な命令で構成されているため、解釈は非常に高速です。インタプリタ言語の各式で処理する必要がある数千のバイナリ命令の代わりに、各式のバイトコードには数百の命令があります（さらに少ない場合もあります）。したがって、仮想マシンはインタープリター言語よりもはるかに高速に実行されます。

言い換えれば、仮想女性は2つの世界のすべてを最大限に活用しました。ソースからバイトコードにコンパイルする必要がありますが、このプロセスは高速で透過的です。そして、バイトコードを受信した後、仮想マシンは不必要なオーバーヘッドなしに迅速かつ効率的にそれを解釈します。その結果、高性能のアプリケーションができました。

ソースからバイトコードへ

生成されたバイトコードを効率的に実行できるようになったので、ソースコードをそのバイトコードにコンパイルするタスクは残ります。

次のPHP式を検討してください。

 $a = 1; $a=1; $a = 1;

それらはすべて等しく当てはまり、同じバイトコードに変換する必要があります。しかし、それらをどのように読みますか？実際、独自のインタープリターでは、コマンドを解析し、スペースで区切ります。つまり、インデントやスペース、1行でブラケット、2行で折り返しなどを使用できるPHPとは異なり、プログラマーはコードを同じスタイルで記述する必要があります。まず、コンパイラーはソースを変換しようとしますトークン内のコード。このプロセスは、字句解析またはトークン化と呼ばれます。

レキシン

トークン化（字句解析）は、ソースPHPコードを-その意味を理解せずに-トークンの長いリストに変換することで構成されます。これは複雑なプロセスですが、PHPでは同様のことが非常に簡単に行えます。リスト2のコードは次の結果を生成します。

 T_OPEN_TAG <?php T_VARIABLE $a T_WHITESPACE = T_WHITESPACE T_LNUMBER 3 ; T_WHITESPACE T_ECHO echo T_WHITESPACE T_CONSTANT_ENCAPSED_STRING "hello world" ;

文字列値はトークンに変換されます：

<？phpはT_OPEN_TAGトークンに変換され、
$ aは、$ aの値を含むT_VARIABLEトークンに変換されます。

トークナイザーは、コードを読み取るときに、文字aが付いた$記号を検出すると、これを認識します。その後、任意の数の文字と数字を続けることができます。番号はT_LNUMBERとしてトークン化され、1ビット以上にすることができます。トークン化により、プログラマーに強制することなく、より構造化された形式でソースコードを提示できます。しかし、すでに述べたように、トークナイザーはトークンの意味を理解していません。理想的には、$ a = 1と1 = $ aの両方をトークン化します。次のパートでは、解析方法を学習します-値をトークンのストリームに設定します。

解析

トークンを解析するとき、言語を構成するいくつかの「ルール」に従う必要があります。たとえば、ルールがある場合があります。プログラムで最初に検出されたトークンはT_OPEN_TAG（<？Phpに対応）でなければなりません。

別の可能なルール：割り当ては、任意のT_VARIABLEの後に=文字、次にT_LNUMBER、T_VARIABLE、またはT_CONSTANT_ENCAPSED_STRINGを含めることができます。つまり、$ a = 1、または$ a = $ b、または$ a = 'foobar'を許可しますが、1 = $ aは許可しません。パーサーが、どのルールも満たさない一連のトークンを検出すると、構文エラーが自動的に生成されます。一般に、解析は言語を定義し、構文規則を作成できるようにするプロセスです。

PHP で使用されているルールのリストを参照してください。 PHPスクリプトが構文規則を満たしている場合、構文が正しいだけでなく、意味があることを確認するために追加のチェックが実行されます： public abstract final final private class foo() {}

の定義は正しいかもしれませんが、観点からは意味がありませんPHP トークン化と解析は扱いにくいプロセスであり、多くの場合、サードパーティのアプリケーションがそれらを実行するために使用されます。しばしばflexやbisonなどのツールを使用します（PHPでも）。また、トランスコンパイラと見なすこともできます。ルールをCコードに変換し、PHPをコンパイルすると自動的にコンパイルされます。

パーサーとトークナイザーは他の分野で役立ちます。たとえば、データベース内のSQL式を解析するために使用され、多くのパーサーとトークナイザーもPHPで記述されています。 Doctrineのオブジェクトリレーショナルマッパーには、DQL式用の独自のパーサーと、DQLをSQLに変換するための「トランスコンパイラー」があります。 Twigを含む多くのテンプレートエンジンは、独自のトークナイザーとパーサーを使用して、テンプレートファイルをPHPスクリプトに「コンパイル」します。実際、これらのエンジンはトランスコンパイラでもあります！

抽象構文ツリー

言語をトークン化して解析した後、バイトコードを生成できます。 PHP 5.6までは、解析中に生成されました。ただし、プロセスに別のステージを追加すると、パーサーにバイトコードではなく、いわゆる抽象構文ツリー（AST）を生成させることができます。これは、プログラム全体が抽象的に表現されるツリー構造です。 ASTは、バイトコードの生成を単純化するだけでなく、変換する前にツリーを変更することもできます。ツリーは常に特別な方法で生成されます。ツリーノードはif式であり、必然的にその下に3つの要素があります。

最初のものには条件が含まれます（ $a == true

）。
2番目には、 true

条件が満たされた場合に実行する必要がある式が含まれていtrue

。
3番目には、 false

条件が満たされた場合に実行する必要がある式（ else

式）が含まれます。

else

欠けている場合でも、3つの要素があり、3番目の要素だけが空になります。

その結果、プログラムをバイトコードに変換する前に「書き直す」ことができます。これはコードを最適化するために時々使用されます。開発者がループ内で変数を繰り返し再計算し、変数の値が常に同じであることがわかっている場合、オプティマイザーはASTを書き換えて、毎回再計算する必要のない一時変数を作成できます。ツリーはコードの小さな再編成に使用できるため、不要になった変数の削除など、高速に動作します。これは常に可能であるとは限りませんが、プログラム全体のツリーがある場合、このようなチェックと最適化ははるかに簡単に実行できます。 AST内では、変数が使用される前に宣言されているかどうか、または条件ブロックで割り当てが使用されているかどうかを確認できます（ if ($a = 1) {}

）。また、潜在的にエラーのある構造が検出された場合は、警告を発行します。ツリーを使用して、情報セキュリティの観点からコードを分析し、スクリプトの実行中にユーザーに警告することもできます。

これは静的分析と呼ばれます。これにより、開発者が調和のとれた安全で高速なコードを作成するのに役立つ新しい機能、最適化、検証システムを作成できます。

PHP 7.0では、解析中にASTを生成する新しい解析エンジン（Zend 3.0）が導入されました。それは十分新鮮であるため、あまりそれを行うことはできません。しかし、その存在の単なる事実は、近い将来にさまざまな機会の出現を期待できることを意味します。 token_get_all()

関数は、文書化されていない新しい定数TOKEN_PARSEをすでに受け入れています。これは将来、トークンだけでなく解析されたASTを返すために使用できます。 php-astなどのサードパーティの拡張機能を使用すると、PHPでツリーを直接表示および編集できます。 ZendエンジンとAST実装の完全な再設計により、PHPはさまざまな新しい課題に直面します。

Jit

ASTから生成された高度に最適化されたバイトコードを実行する仮想マシンに加えて、速度を上げる別の手法があります。しかし、これは実装が最も難しいものの1つです。

アプリケーションはどのように実行されていますか？セットアップには多くの時間がかかります。たとえば、フレームワークの起動、ルートの解析、環境変数の処理などが必要です。これらの手順がすべて完了した後、プログラムは通常実行されていません。 , - . , , (, ) ? , , , . , , , , .

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PHP 7 JIT-, . , , JIT-. , PHP 7 !

コンパイラ、インタープリター、およびJITの概要