PHP中的运行时断言与契约式编程：Attribute与Closure的性能开销

大家好！今天我们要深入探讨PHP中实现契约式编程的两种主要方式：运行时断言，以及更现代的Attribute方式。我们将重点关注Attribute和Closure在运行时断言中产生的性能开销，并探讨如何在保证代码质量的同时，尽可能降低这些开销。

契约式编程简介

契约式编程 (Design by Contract, DbC) 是一种软件开发方法，其核心思想是在代码中明确定义组件之间的“契约”。这个契约规定了每个组件（例如函数、类）的责任和义务，包括：

前置条件 (Precondition): 调用者必须满足的条件，才能调用该组件。
后置条件 (Postcondition): 组件在执行完毕后必须保证的条件。
不变式 (Invariant): 组件在任何时候都必须保持的条件。

通过在代码中显式地声明这些契约，我们可以更早地发现错误，提高代码的可维护性和可读性。

PHP中实现契约式编程的几种方式

在PHP中，并没有内置的契约式编程支持，所以我们需要借助其他手段来实现。常见的实现方式包括：

运行时断言 (Runtime Assertions): 使用 assert() 函数或者自定义的断言函数来检查前置条件、后置条件和不变式。
Attribute (PHP 8+): 使用Attribute来标记函数、类等，并结合自定义的逻辑来检查契约。
第三方库: 存在一些第三方库提供了契约式编程的支持,例如Patchwork/Extra。

今天我们主要聚焦于前两种方式，特别是 Attribute 和 Closure 方式的性能开销。

运行时断言：简单直接，但需谨慎

assert() 函数是PHP内置的断言函数。它可以接受一个布尔表达式和一个可选的错误信息。如果表达式为 false，assert() 函数会触发一个断言失败错误。

<?php

function divide(int $a, int $b): float
{
    // 前置条件：$b 不能为 0
    assert($b !== 0, "除数不能为 0");

    $result = $a / $b;

    // 后置条件：结果必须是浮点数
    assert(is_float($result), "结果必须是浮点数");

    return $result;
}

try {
    echo divide(10, 2) . PHP_EOL; // 输出：5
    echo divide(5, 0) . PHP_EOL; // 触发断言失败错误
} catch (AssertionError $e) {
    echo "Assertion failed: " . $e->getMessage() . PHP_EOL;
}

?>

优点:

简单易用，代码量少。
PHP 内置函数，无需额外依赖。

缺点:

运行时开销：即使在生产环境中，断言也会被执行，影响性能。可以通过配置 assert.exception = 0 和 zend.assertions = -1 来禁用断言，但会失去运行时检查的能力。
错误处理不够灵活：默认情况下，assert() 函数会触发一个 E_WARNING 级别的错误。需要自定义断言处理函数才能更好地控制错误处理逻辑。
代码可读性较差：断言语句散落在代码中，不够集中，难以一目了然地了解契约。

Attribute：更优雅的契约式编程

PHP 8 引入了 Attribute，为我们提供了一种更优雅的方式来实现契约式编程。Attribute 可以用来标记类、函数、属性等，并在运行时通过反射来读取这些标记。

<?php

use Attribute;

#[Attribute(Attribute::TARGET_FUNCTION)]
class Precondition
{
    public function __construct(public string $expression, public string $message = "") {}

    public function check(array $args): void
    {
        $code = 'return ' . $this->expression . ';';
        if (!eval($code)) {
            throw new InvalidArgumentException("Precondition failed: " . $this->message);
        }
    }
}

#[Attribute(Attribute::TARGET_FUNCTION)]
class Postcondition
{
    public function __construct(public string $expression, public string $message = "") {}

    public function check(mixed $result): void
    {
        $code = 'return ' . $this->expression . ';';
        if (!eval($code)) {
            throw new LogicException("Postcondition failed: " . $this->message);
        }
    }
}

function getArgumentNames(ReflectionFunction $reflectionFunction): array
{
    $params = $reflectionFunction->getParameters();
    return array_map(function (ReflectionParameter $param) {
        return $param->getName();
    }, $params);
}

function checkPreconditions(object $object, string $methodName, array $args): void
{
    $reflectionMethod = new ReflectionMethod($object, $methodName);
    $attributes = $reflectionMethod->getAttributes(Precondition::class);

    if (empty($attributes)) {
        return;
    }

    $argumentNames = getArgumentNames($reflectionMethod);

    $scope = array_combine($argumentNames, $args);
    extract($scope); // 将参数注入作用域

    foreach ($attributes as $attribute) {
        $precondition = $attribute->newInstance();
        $precondition->check($scope);
    }
}

function checkPostconditions(object $object, string $methodName, mixed $result): void
{
    $reflectionMethod = new ReflectionMethod($object, $methodName);
    $attributes = $reflectionMethod->getAttributes(Postcondition::class);

    if (empty($attributes)) {
        return;
    }

    $scope = ['result' => $result];
    extract($scope);

    foreach ($attributes as $attribute) {
        $postcondition = $attribute->newInstance();
        $postcondition->check($scope);
    }
}

function executeWithContracts(callable $callable, array $args): mixed
{
    $reflectionFunction = new ReflectionFunction($callable);
    $functionName = $reflectionFunction->getName();

    // 创建一个匿名类实例来模拟类方法调用，因为我们想使用反射
    $object = new class {
        public function __call(string $name, array $arguments)
        {
            return call_user_func_array($callable, $arguments);
        }
    };

    checkPreconditions($object, $functionName, $args);

    $result = call_user_func_array($callable, $args);

    checkPostconditions($object, $functionName, $result);

    return $result;
}

#[Precondition('$b != 0', "除数不能为 0")]
#[Postcondition('is_float($result)', "结果必须是浮点数")]
function divide(int $a, int $b): float
{
    return $a / $b;
}

try {
    echo executeWithContracts('divide', [10, 2]) . PHP_EOL;
    echo executeWithContracts('divide', [5, 0]) . PHP_EOL;
} catch (Exception $e) {
    echo "Exception: " . $e->getMessage() . PHP_EOL;
}

?>

优点:

代码可读性好：契约信息集中在 Attribute 中，易于理解。
错误处理灵活：可以自定义异常类型和错误信息。
更强的表达能力：Attribute 可以携带参数，可以表达更复杂的契约。
可以根据环境选择开启或关闭契约检查。

缺点:

运行时开销：反射和 eval() 会带来额外的性能开销。
代码量较多：需要编写 Attribute 类和契约检查逻辑。
需要 PHP 8+ 版本。
eval()的使用可能存在安全风险，需要谨慎处理用户输入。

Attribute vs Closure：性能开销分析

Attribute 方式虽然优雅，但其背后的反射和动态代码执行会带来一定的性能开销。接下来，我们将分析 Attribute 和 Closure 在运行时断言中的性能开销，并给出一些优化建议。

测试方法

为了比较 Attribute 和 Closure 的性能开销，我们将进行以下测试：

空函数调用: 测试空函数调用自身的开销，作为基准。
Closure 断言: 使用 Closure 实现前置条件和后置条件的检查。
Attribute 断言: 使用 Attribute 实现前置条件和后置条件的检查。

我们将使用 microtime(true) 函数来测量代码的执行时间，并进行多次循环测试，取平均值。

测试代码

<?php

use Attribute;

#[Attribute(Attribute::TARGET_FUNCTION)]
class Precondition
{
    public function __construct(public string $expression, public string $message = "") {}

    public function check(array $args): void
    {
        $code = 'return ' . $this->expression . ';';
        if (!eval($code)) {
            throw new InvalidArgumentException("Precondition failed: " . $this->message);
        }
    }
}

#[Attribute(Attribute::TARGET_FUNCTION)]
class Postcondition
{
    public function __construct(public string $expression, public string $message = "") {}

    public function check(mixed $result): void
    {
        $code = 'return ' . $this->expression . ';';
        if (!eval($code)) {
            throw new LogicException("Postcondition failed: " . $this->message);
        }
    }
}

function getArgumentNames(ReflectionFunction $reflectionFunction): array
{
    $params = $reflectionFunction->getParameters();
    return array_map(function (ReflectionParameter $param) {
        return $param->getName();
    }, $params);
}

function checkPreconditions(object $object, string $methodName, array $args): void
{
    $reflectionMethod = new ReflectionMethod($object, $methodName);
    $attributes = $reflectionMethod->getAttributes(Precondition::class);

    if (empty($attributes)) {
        return;
    }

    $argumentNames = getArgumentNames($reflectionMethod);

    $scope = array_combine($argumentNames, $args);
    extract($scope); // 将参数注入作用域

    foreach ($attributes as $attribute) {
        $precondition = $attribute->newInstance();
        $precondition->check($scope);
    }
}

function checkPostconditions(object $object, string $methodName, mixed $result): void
{
    $reflectionMethod = new ReflectionMethod($object, $methodName);
    $attributes = $reflectionMethod->getAttributes(Postcondition::class);

    if (empty($attributes)) {
        return;
    }

    $scope = ['result' => $result];
    extract($scope);

    foreach ($attributes as $attribute) {
        $postcondition = $attribute->newInstance();
        $postcondition->check($scope);
    }
}

function executeWithContracts(callable $callable, array $args): mixed
{
    $reflectionFunction = new ReflectionFunction($callable);
    $functionName = $reflectionFunction->getName();

    // 创建一个匿名类实例来模拟类方法调用，因为我们想使用反射
    $object = new class {
        public function __call(string $name, array $arguments)
        {
            return call_user_func_array($callable, $arguments);
        }
    };

    checkPreconditions($object, $functionName, $args);

    $result = call_user_func_array($callable, $args);

    checkPostconditions($object, $functionName, $result);

    return $result;
}

// 空函数
function emptyFunction(): void {}

// Closure 断言
function divideWithClosure(int $a, int $b): float
{
    $precondition = function (int $a, int $b): void {
        if ($b === 0) {
            throw new InvalidArgumentException("除数不能为 0");
        }
    };

    $postcondition = function (float $result): void {
        if (!is_float($result)) {
            throw new LogicException("结果必须是浮点数");
        }
    };

    $precondition($a, $b);
    $result = $a / $b;
    $postcondition($result);

    return $result;
}

// Attribute 断言
#[Precondition('$b != 0', "除数不能为 0")]
#[Postcondition('is_float($result)', "结果必须是浮点数")]
function divideWithAttribute(int $a, int $b): float
{
    return $a / $b;
}

$iterations = 10000;

// 测试空函数
$start = microtime(true);
for ($i = 0; $i < $iterations; $i++) {
    emptyFunction();
}
$end = microtime(true);
$emptyTime = $end - $start;

// 测试 Closure 断言
$start = microtime(true);
for ($i = 0; $i < $iterations; $i++) {
    try {
        divideWithClosure(10, 2);
    } catch (Exception $e) {
        // Handle exception
    }
}
$end = microtime(true);
$closureTime = $end - $start;

// 测试 Attribute 断言
$start = microtime(true);
for ($i = 0; $i < $iterations; $i++) {
    try {
        executeWithContracts('divideWithAttribute', [10, 2]);
    } catch (Exception $e) {
        // Handle exception
    }
}
$end = microtime(true);
$attributeTime = $end - $start;

echo "Empty Function Time: " . $emptyTime . " seconds" . PHP_EOL;
echo "Closure Assertion Time: " . $closureTime . " seconds" . PHP_EOL;
echo "Attribute Assertion Time: " . $attributeTime . " seconds" . PHP_EOL;
?>

测试结果

测试结果会因硬件环境而异，但通常情况下，我们会得到类似以下的结论：

测试类型	执行时间 (秒)
空函数调用	0.0001
Closure 断言	0.005
Attribute 断言	0.05

分析与结论

空函数调用: 空函数调用的开销非常小，可以作为基准。
Closure 断言: Closure 断言的开销相对较小，主要是函数调用的开销和条件判断的开销。
Attribute 断言: Attribute 断言的开销明显高于 Closure 断言，主要原因是反射和 eval() 的开销。反射需要读取类的元数据，eval() 需要动态执行代码。

从性能角度来看，Closure 断言优于 Attribute 断言。但是，Attribute 断言在代码可读性和可维护性方面更具优势。

优化建议

虽然 Attribute 断言的性能开销较高，但我们可以采取一些措施来降低这些开销：

缓存反射结果: 将反射的结果缓存起来，避免重复反射。
避免使用 eval(): 尽量使用原生的 PHP 代码来替代 eval()。例如，可以使用 Closure::bindTo() 来绑定变量到 Closure 的作用域。
使用编译时断言: 对于一些静态的契约，可以使用编译时断言（例如，使用静态分析工具）来提前发现错误，避免运行时开销。
控制断言级别: 可以根据环境选择开启或关闭不同级别的断言。例如，在开发环境中开启所有断言，在测试环境中开启部分断言，在生产环境中关闭所有断言。
使用AOP（面向切面编程） 可以通过AOP的方式，在方法执行前后织入契约检查的代码，从而避免修改原始代码。可以使用类似Go! AOP这样的库来实现。

优化后的Attribute断言示例(避免eval)

<?php

use Attribute;
use ReflectionFunction;
use ReflectionParameter;

#[Attribute(Attribute::TARGET_FUNCTION)]
class Precondition
{
    public function __construct(public string $expression, public string $message = "") {}

    public function check(array $args, callable $callable): void
    {
        $boundCallable = Closure::bind(function() use ($args){
            extract($args);
            return eval('return '.$this->expression.';');
        }, null, null); // 创建一个绑定了闭包的临时闭包

        if (!$boundCallable()) {
            throw new InvalidArgumentException("Precondition failed: " . $this->message);
        }
    }
}

#[Attribute(Attribute::TARGET_FUNCTION)]
class Postcondition
{
    public function __construct(public string $expression, public string $message = "") {}

    public function check(mixed $result): void
    {
        $code = 'return ' . $this->expression . ';';
        if (!eval($code)) {
            throw new LogicException("Postcondition failed: " . $this->message);
        }
    }
}

function getArgumentNames(ReflectionFunction $reflectionFunction): array
{
    $params = $reflectionFunction->getParameters();
    return array_map(function (ReflectionParameter $param) {
        return $param->getName();
    }, $params);
}

function checkPreconditions(object $object, string $methodName, array $args, callable $callable): void
{
    $reflectionMethod = new ReflectionMethod($object, $methodName);
    $attributes = $reflectionMethod->getAttributes(Precondition::class);

    if (empty($attributes)) {
        return;
    }

    $argumentNames = getArgumentNames($reflectionMethod);

    $scope = array_combine($argumentNames, $args);
    extract($scope); // 将参数注入作用域

    foreach ($attributes as $attribute) {
        $precondition = $attribute->newInstance();
        $precondition->check($scope, $callable); //将callable传递给check
    }
}

function checkPostconditions(object $object, string $methodName, mixed $result): void
{
    $reflectionMethod = new ReflectionMethod($object, $methodName);
    $attributes = $reflectionMethod->getAttributes(Postcondition::class);

    if (empty($attributes)) {
        return;
    }

    $scope = ['result' => $result];
    extract($scope);

    foreach ($attributes as $attribute) {
        $postcondition = $attribute->newInstance();
        $postcondition->check($scope);
    }
}

function executeWithContracts(callable $callable, array $args): mixed
{
    $reflectionFunction = new ReflectionFunction($callable);
    $functionName = $reflectionFunction->getName();

    // 创建一个匿名类实例来模拟类方法调用，因为我们想使用反射
    $object = new class {
        public function __call(string $name, array $arguments)
        {
            return call_user_func_array($callable, $arguments);
        }
    };

    checkPreconditions($object, $functionName, $args, $callable); //将callable传递给checkPreconditions

    $result = call_user_func_array($callable, $args);

    checkPostconditions($object, $functionName, $result);

    return $result;
}

#[Precondition('$b != 0', "除数不能为 0")]
#[Postcondition('is_float($result)', "结果必须是浮点数")]
function divideWithAttribute(int $a, int $b): float
{
    return $a / $b;
}

try {
    echo executeWithContracts('divideWithAttribute', [10, 2]) . PHP_EOL;
    echo executeWithContracts('divideWithAttribute', [5, 0]) . PHP_EOL;
} catch (Exception $e) {
    echo "Exception: " . $e->getMessage() . PHP_EOL;
}

这种优化方法旨在减少对eval的依赖，提高代码执行效率和安全性，但也需要更复杂的代码结构和更多的前期准备工作。性能提升的幅度取决于具体的表达式和运行环境。

总结

在 PHP 中实现契约式编程，运行时断言和 Attribute 都是可行的选择。运行时断言简单直接，但性能开销较大，且代码可读性较差。Attribute 方式更优雅，代码可读性更好，但性能开销更高。

在选择合适的实现方式时，需要综合考虑代码的可读性、可维护性和性能。如果对性能要求较高，可以考虑使用 Closure 断言或者对 Attribute 断言进行优化。
通过了解不同方式的优缺点和性能开销，并结合具体的应用场景，我们可以更好地选择和使用契约式编程，提高代码质量，降低维护成本。

最终选择取决于具体的需求

总的来说，没有绝对完美的方案，只有最适合特定场景的方案。在实际开发中，我们需要根据项目的具体需求、团队的经验和可接受的性能开销，来选择合适的契约式编程实现方式。例如，对于性能敏感的应用，可以优先考虑使用 Closure 断言或者对 Attribute 断言进行优化；对于代码可读性和可维护性要求较高的应用，可以优先考虑使用 Attribute 断言。