PHP autoload 機制詳解

PHP在魔術函數__autoload()方法出現以前，如果你要在一個程序文件中實例化100個對象，那麼你必須用include或者require包含進來100個類文件，或者你把這100個類定義在同一個類文件中——相信這個文件一定會非常大。但是__autoload()方法出來了，以後就不必為此大傷腦筋了，這個類會在你實例化對象之前自動加載制定的文件。

1. autoload 機制概述

在使用PHP的OO模式開發系統時，通常大家習慣上將每個類的實現都存放在一個單獨的文件裡，這樣會很容易實現對類進行復用，同時將來維護時也很便利。這也是OO設計的基本思想之一。在PHP5之前，如果需要使用一個類，只需要直接使用include/require將其包含進來即可。下面是一個實際的例子：

/* Person.class.php */
<?php
 class Person {
 var $name, $age;

 function __construct ($name, $age)
 {
 $this->name = $name;
 $this->age = $age;
 }
 }
?>

/* no_autoload.php */
<?php
 require_once (”Person.class.php”);

 $person = new Person(”Altair”, 6);
 var_dump ($person);
?>

在這個例子中，no-autoload.php文件需要使用Person類，它使用了require_once將其包含，然後就可以直接使用Person類來實例化一個對象。

但隨著項目規模的不斷擴大，使用這種方式會帶來一些隱含的問題：如果一個PHP文件需要使用很多其它類，那麼就需要很多的require/include語句，這樣有可能會造成遺漏或者包含進不必要的類文件。如果大量的文件都需要使用其它的類，那麼要保證每個文件都包含正確的類文件肯定是一個噩夢。

PHP5為這個問題提供了一個解決方案，這就是類的自動裝載(autoload)機制。autoload機制可以使得PHP程序有可能在使用類時才自動包含類文件，而不是一開始就將所有的類文件include進來，這種機制也稱為lazy loading。

下面是使用autoload機制加載Person類的例子：

/* autoload.php */
<?php
 function __autoload($classname)
{
 $classpath="./".$classname.'.class.php';
 if(file_exists($classpath))
 {
 require_once($classpath);
 }
 else
 {
 echo 'class file'.$classpath.'not found!';
 }
}

 $person = new Person(”Altair”, 6);
 var_dump ($person);
 ?>

通常PHP5在使用一個類時，如果發現這個類沒有加載，就會自動運行__autoload()函數，在這個函數中我們可以加載需要使用的類。在我們這個簡單的例子中，我們直接將類名加上擴展名”.class.php”構成了類文件名，然後使用require_once將其加載。從這個例子中，我們可以看出autoload至少要做三件事情，第一件事是根據類名確定類文件名，第二件事是確定類文件所在的磁盤路徑(在我們的例子是最簡單的情況，類與調用它們的PHP程序文件在同一個文件夾下)，第三件事是將類從磁盤文件中加載到系統中。第三步最簡單，只需要使用include/require即可。要實現第一步，第二步的功能，必須在開發時約定類名與磁盤文件的映射方法，只有這樣我們才能根據類名找到它對應的磁盤文件。

因此，當有大量的類文件要包含的時候，我們只要確定相應的規則，然後在__autoload()函數中，將類名與實際的磁盤文件對應起來，就可以實現lazy loading的效果。從這裡我們也可以看出__autoload()函數的實現中最重要的是類名與實際的磁盤文件映射規則的實現。

但現在問題來了，如果在一個系統的實現中，如果需要使用很多其它的類庫，這些類庫可能是由不同的開發人員編寫的，其類名與實際的磁盤文件的映射規則不盡相同。這時如果要實現類庫文件的自動加載，就必須在__autoload()函數中將所有的映射規則全部實現，這樣的話__autoload()函數有可能會非常復雜，甚至無法實現。最後可能會導致__autoload()函數十分臃腫，這時即便能夠實現，也會給將來的維護和系統效率帶來很大的負面影響。在這種情況下，難道就沒有更簡單清晰的解決辦法了吧？答案當然是：NO! 在看進一步的解決方法之前，我們先來看一下PHP中的autoload機制是如何實現的。

2. PHP 的 autoload 機制的實現

我們知道，PHP文件的執行分為兩個獨立的過程，第一步是將PHP文件編譯成普通稱之為OPCODE的字節碼序列（實際上是編譯成一個叫做zend_op_array的字節數組），第二步是由一個虛擬機來執行這些OPCODE。PHP的所有行為都是由這些OPCODE來實現的。因此，為了研究PHP中autoload的實現機制，我們將autoload.php文件編譯成opcode，然後根據這些OPCODE來研究PHP在這過程中都做了些什麼:

/* autoload.php 編譯後的OPCODE列表，是使用作者開發的OPDUMP工具
  * 生成的結果，可以到網站 http://www.phpinternals.com/ 下載該軟件。
  */
 1: <?php
 2: // require_once (”Person.php”);
 3: 
 4: function __autoload ($classname) {
   0 NOP    
   0 RECV    1
 5: if (!class_exists($classname)) {
   1 SEND_VAR   !0
   2 DO_FCALL   ‘class_exists' [extval:1]
   3 BOOL_NOT   $0 =>RES[~1]  
   4 JMPZ    ~1, ->8
 6: require_once ($classname. “.class.php”);
   5 CONCAT    !0, ‘.class.php' =>RES[~2]  
   6 INCLUDE_OR_EVAL  ~2, REQUIRE_ONCE
 7: }
   7 JMP     ->8
 8: }
   8 RETURN    null
 9: 
 10: $p = new Person('Fred', 35);
   1 FETCH_CLASS   ‘Person' =>RES[:0]  
   2 NEW     :0 =>RES[$1]  
   3 SEND_VAL   ‘Fred'
   4 SEND_VAL   35
   5 DO_FCALL_BY_NAME  [extval:2]
   6 ASSIGN    !0, $1
 11: 
 12: var_dump ($p);
   7 SEND_VAR   !0
   8 DO_FCALL   ‘var_dump' [extval:1]
 13: ?>

在autoload.php的第10行代碼中我們需要為類Person實例化一個對象。因此autoload機制一定會在該行編譯後的opcode中有所體現。從上面的第10行代碼生成的OPCODE中我們知道，在實例化對象Person時，首先要執行FETCH_CLASS指令。我們就從PHP對FETCH_CLASS指令的處理過程開始我們的探索之旅。

通過查閱PHP的源代碼(我使用的是PHP 5.3alpha2版本)可以發現如下的調用序列：

ZEND_VM_HANDLER(109, ZEND_FETCH_CLASS, …) (zend_vm_def.h 1864行)
 => zend_fetch_class (zend_execute_API.c 1434行)
  =>zend_lookup_class_ex (zend_execute_API.c 964行)
   => zend_call_function(&fcall_info, &fcall_cache) (zend_execute_API.c 1040行)

在最後一步的調用之前，我們先看一下調用時的關鍵參數：

/* 設置autoload_function變量值為”__autoload” */
 fcall_info.function_name = &autoload_function;  // Ooops, 終於發現”__autoload”了
 …
 fcall_cache.function_handler = EG(autoload_func); // autoload_func !

zend_call_function是Zend Engine中最重要的函數之一，其主要功能是執行用戶在PHP程序中自定義的函數或者PHP本身的庫函數。zend_call_function有兩個重要的指針形參數fcall_info, fcall_cache，它們分別指向兩個重要的結構，一個是zend_fcall_info, 另一個是zend_fcall_info_cache。zend_call_function主要工作流程如下：如果fcall_cache.function_handler指針為NULL，則嘗試查找函數名為fcall_info.function_name的函數，如果存在的話，則執行之；如果fcall_cache.function_handler不為NULL，則直接執行fcall_cache.function_handler指向的函數。

現在我們清楚了，PHP在實例化一個對象時（實際上在實現接口，使用類常數或類中的靜態變量，調用類中的靜態方法時都會如此），首先會在系統中查找該類（或接口）是否存在，如果不存在的話就嘗試使用autoload機制來加載該類。而autoload機制的主要執行過程為：

1. 檢查執行器全局變量函數指針autoload_func是否為NULL。
2. 如果autoload_func==NULL, 則查找系統中是否定義有__autoload()函數，如果沒有，則報告錯誤並退出。
3. 如果定義了__autoload()函數，則執行__autoload()嘗試加載類，並返回加載結果。
4. 如果autoload_func不為NULL，則直接執行autoload_func指針指向的函數用來加載類。注意此時並不檢查__autoload()函數是否定義。
   

真相終於大白，PHP提供了兩種方法來實現自動裝載機制，一種我們前面已經提到過，是使用用戶定義的__autoload()函數，這通常在PHP源程序中來實現；另外一種就是設計一個函數，將autoload_func指針指向它，這通常使用C語言在PHP擴展中實現。如果既實現了__autoload()函數，又實現了autoload_func(將autoload_func指向某一PHP函數)，那麼只執行autoload_func函數。

3. SPL autoload 機制的實現

SPL是Standard PHP Library(標准PHP庫)的縮寫。它是PHP5引入的一個擴展庫，其主要功能包括autoload機制的實現及包括各種Iterator接口或類。SPL autoload機制的實現是通過將函數指針autoload_func指向自己實現的具有自動裝載功能的函數來實現的。SPL有兩個不同的函數spl_autoload, spl_autoload_call，通過將autoload_func指向這兩個不同的函數地址來實現不同的自動加載機制。

spl_autoload是SPL實現的默認的自動加載函數，它的功能比較簡單。它可以接收兩個參數，第一個參數是$class_name，表示類名，第二個參數$file_extensions是可選的，表示類文件的擴展名，可以在$file_extensions中指定多個擴展名，護展名之間用分號隔開即可；如果不指定的話，它將使用默認的擴展名.inc或.php。spl_autoload首先將$class_name變為小寫，然後在所有的include path中搜索$class_name.inc或$class_name.php文件(如果不指定$file_extensions參數的話)，如果找到，就加載該類文件。你可以手動使用spl_autoload(”Person”, “.class.php”)來加載Person類。實際上，它跟require/include差不多，不同的它可以指定多個擴展名。

怎樣讓spl_autoload自動起作用呢，也就是將autoload_func指向spl_autoload？答案是使用spl_autoload_register函數。在PHP腳本中第一次調用spl_autoload_register()時不使用任何參數，就可以將autoload_func指向spl_autoload。

通過上面的說明我們知道，spl_autoload的功能比較簡單，而且它是在SPL擴展中實現的，我們無法擴充它的功能。如果想實現自己的更靈活的自動加載機制怎麼辦呢？這時，spl_autoload_call函數閃亮登場了。

我們先看一下spl_autoload_call的實現有何奇妙之處。在SPL模塊內部，有一個全局變量autoload_functions，它本質上是一個HashTable，不過我們可以將其簡單的看作一個鏈表，鏈表中的每一個元素都是一個函數指針,指向一個具有自動加載類功能的函數。spl_autoload_call本身的實現很簡單，只是簡單的按順序執行這個鏈表中每個函數，在每個函數執行完成後都判斷一次需要的類是否已經加載，如果加載成功就直接返回，不再繼續執行鏈表中的其它函數。如果這個鏈表中所有的函數都執行完成後類還沒有加載，spl_autoload_call就直接退出，並不向用戶報告錯誤。因此，使用了autoload機制，並不能保證類就一定能正確的自動加載，關鍵還是要看你的自動加載函數如何實現。

那麼自動加載函數鏈表autoload_functions是誰來維護呢？就是前面提到的spl_autoload_register函數。它可以將用戶定義的自動加載函數注冊到這個鏈表中，並將autoload_func函數指針指向spl_autoload_call函數（注意有一種情況例外，具體是哪種情況留給大家思考）。我們也可以通過spl_autoload_unregister函數將已經注冊的函數從autoload_functions鏈表中刪除。

上節說過，當autoload_func指針非空時，就不會自動執行__autoload()函數了，現在autoload_func已經指向了spl_autoload_call，如果我們還想讓__autoload()函數起作用應該怎麼辦呢？當然還是使用spl_autoload_register(__autoload)調用將它注冊到autoload_functions鏈表中。

現在回到第一節最後的問題，我們有了解決方案：根據每個類庫不同的命名機制實現各自的自動加載函數，然後使用spl_autoload_register分別將其注冊到SPL自動加載函數隊列中就可了。這樣我們就不用維護一個非常復雜的__autoload函數了。

4. autoload 效率問題及對策

使用autoload機制時，很多人的第一反應就是使用autoload會降低系統效率，甚至有人干脆提議為了效率不要使用autoload。在我們了解了autoload實現的原理後，我們知道autoload機制本身並不是影響系統效率的原因，甚至它還有可能提高系統效率，因為它不會將不需要的類加載到系統中。

那麼為什麼很多人都有一個使用autoload會降低系統效率的印象呢？實際上，影響autoload機制效率本身恰恰是用戶設計的自動加載函數。如果它不能高效的將類名與實際的磁盤文件(注意，這裡指實際的磁盤文件，而不僅僅是文件名)對應起來，系統將不得不做大量的文件是否存在(需要在每個include path中包含的路徑中去尋找)的判斷，而判斷文件是否存在需要做磁盤I/O操作，眾所周知磁盤I/O操作的效率很低，因此這才是使得autoload機制效率降低的罪魁禍首!

因此，我們在系統設計時，需要定義一套清晰的將類名與實際磁盤文件映射的機制。這個規則越簡單越明確，autoload機制的效率就越高。

結論：autoload機制並不是天然的效率低下，只有濫用autoload，設計不好的自動裝載函數才會導致其效率的降低。

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