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PHP7中如何优化递归
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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）。
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。
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（protected、private），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 C、class B、class A 中依次发生 __call 的调用），ZEND_VM_ENTER 将 execute_data 和 opline 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_data 的 opline（注意：这里并没有将 opline 初始化为 execute_data 中 opline 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）。
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