Zend Extension开发：通过Hook AST处理函数在编译期修改PHP语法的黑魔法

Zend Extension开发：通过Hook AST处理函数在编译期修改PHP语法的黑魔法

大家好，今天我们要探讨一个稍微有点“黑魔法”意味的话题：如何通过Zend Extension开发，Hook AST（Abstract Syntax Tree，抽象语法树）处理函数，在编译期修改PHP语法。

这听起来可能有点吓人，但实际上，理解了背后的原理，你会发现这其实是一种非常强大的技术，可以用来实现一些在运行时无法轻易实现的功能，例如：

• 自定义语法扩展：创造属于你自己的PHP语法，让代码更简洁、更易读。
• 静态代码分析与优化：在编译阶段对代码进行深度分析，发现潜在的错误或进行性能优化。
• 代码转换与混淆：将代码转换成另一种形式，或者进行一定程度的混淆，增加代码的安全性。

当然，这种技术的门槛相对较高，需要对PHP的内部机制、Zend Engine以及AST有一定的了解。但是，只要你认真学习，相信一定能掌握它。

一、Zend Engine与扩展机制

首先，我们需要简单了解一下Zend Engine和Zend Extension的机制。Zend Engine是PHP的核心，负责解释和执行PHP代码。而Zend Extension则是PHP提供的一种扩展机制，允许开发者通过C/C++语言编写扩展，来增强PHP的功能。

Zend Extension可以Hook PHP的各个环节，例如：

• MINIT/RINIT/MSHUTDOWN/RSHUTDOWN： 模块初始化/请求初始化/模块关闭/请求关闭。
• Function Hooks： 替换或增强内置函数的行为。
• Class Hooks： 修改类的定义或行为。
• AST Hooks： 在编译阶段修改抽象语法树。

今天我们主要关注的是AST Hooks。

二、抽象语法树（AST）简介

AST是源代码的一种抽象的树状表示形式，它将源代码的结构以树的形式表达出来。每个节点代表源代码中的一个语法结构，例如变量、运算符、函数调用等。

PHP在编译代码时，会将源代码解析成AST，然后根据AST生成opcode，最后由Zend Engine执行opcode。

因此，如果我们能在生成opcode之前修改AST，就能改变PHP代码的执行逻辑。

三、如何Hook AST处理函数

Zend Engine提供了一系列的API，允许我们在编译阶段Hook AST处理函数。这些API主要包括：

• zend_ast_process: 处理AST的根节点。
• zend_ast_arena_create: 创建AST节点分配器。
• zend_ast_arena_destroy: 销毁AST节点分配器。

要Hook AST处理函数，我们需要：

1. 定义自己的AST处理函数： 这个函数接收一个AST节点作为参数，并返回一个新的AST节点（可以是对原有节点的修改，也可以是完全新的节点）。
2. 注册自己的AST处理函数： 通过zend_set_user_opcode_handler等函数，将自己的AST处理函数注册到Zend Engine。

四、实战：自定义一个unless语句

为了更好地理解如何Hook AST处理函数，我们来做一个简单的例子：自定义一个unless语句，它的功能与if (!condition)类似。

1. 定义数据结构

首先，定义一个结构体，用于存储unless语句的信息。

typedef struct _zend_ast_unless {
    zend_ast ast;
    zend_ast *cond;
    zend_ast *then_branch;
    zend_ast *else_branch;
} zend_ast_unless;

2. 创建AST节点

接下来，我们需要定义一个函数，用于创建unless语句的AST节点。

zend_ast* zend_ast_create_unless(zend_ast *cond, zend_ast *then_branch, zend_ast *else_branch) {
    zend_ast_unless *ast_unless = zend_arena_alloc(&CG(arena), sizeof(zend_ast_unless));
    ast_unless->ast.kind = ZEND_AST_USER; // 使用ZEND_AST_USER标记自定义节点
    ast_unless->ast.attr = 0;
    ast_unless->cond = cond;
    ast_unless->then_branch = then_branch;
    ast_unless->else_branch = else_branch;
    return (zend_ast*)ast_unless;
}

3. 定义AST处理函数

现在，我们需要定义一个AST处理函数，用于将unless语句转换成if (!condition)语句。

zend_ast* my_ast_process(zend_ast *ast) {
    if (ast == NULL) {
        return NULL;
    }

    if (ast->kind == ZEND_AST_USER) {
        zend_ast_unless *ast_unless = (zend_ast_unless*)ast;

        // 创建 not 表达式
        zend_ast *not_expr = zend_ast_create_unary(ZEND_AST_NOT, ast_unless->cond);

        // 创建 if 语句
        zend_ast *if_stmt = zend_ast_create_if(not_expr, ast_unless->then_branch, ast_unless->else_branch);

        return if_stmt;
    }

    // 递归处理子节点
    switch (ast->kind) {
        case ZEND_AST_NAMESPACE: {
            zend_ast_namespace *ns = (zend_ast_namespace*) ast;
            ns->stmts = my_ast_process(ns->stmts);
            break;
        }
        case ZEND_AST_LIST: {
            zend_ast_list *list = (zend_ast_list*) ast;
            for (uint32_t i = 0; i < list->children; i++) {
                list->children[i] = my_ast_process(list->children[i]);
            }
            break;
        }
        // 其他类型的 AST 节点处理
        default:
            break;
    }
    return ast;
}

4. 注册AST处理函数

最后，我们需要在MINIT阶段注册我们的AST处理函数。

PHP_MINIT_FUNCTION(my_extension) {
    zend_set_user_opcode_handler(ZEND_USER_OPCODE, my_ast_process);
    return SUCCESS;
}

5. 完整的例子代码 (my_extension.c)

#ifdef HAVE_CONFIG_H
#include "config.h"
#endif

#include "php.h"
#include "php_ini.h"
#include "ext/standard/info.h"
#include "php_my_extension.h"
#include "Zend/zend_compile.h"
#include "Zend/zend_ast.h"
#include "Zend/zend_ast_defs.h"
#include "Zend/zend_language_parser.h"

/* If you declare any globals in php_my_extension.h uncomment this:
ZEND_DECLARE_MODULE_GLOBALS(my_extension)
*/

/* True global resources - no need for thread safety here */
static int le_my_extension;

// 定义 unless 语句的 AST 节点结构
typedef struct _zend_ast_unless {
    zend_ast ast;
    zend_ast *cond;
    zend_ast *then_branch;
    zend_ast *else_branch;
} zend_ast_unless;

// 创建 unless 语句的 AST 节点
zend_ast* zend_ast_create_unless(zend_ast *cond, zend_ast *then_branch, zend_ast *else_branch) {
    zend_ast_unless *ast_unless = zend_arena_alloc(&CG(arena), sizeof(zend_ast_unless));
    ast_unless->ast.kind = ZEND_AST_USER; // 使用 ZEND_AST_USER 标记自定义节点
    ast_unless->ast.attr = 0;
    ast_unless->cond = cond;
    ast_unless->then_branch = then_branch;
    ast_unless->else_branch = else_branch;
    return (zend_ast*)ast_unless;
}

// AST 处理函数
zend_ast* my_ast_process(zend_ast *ast) {
    if (ast == NULL) {
        return NULL;
    }

    if (ast->kind == ZEND_AST_USER) {
        zend_ast_unless *ast_unless = (zend_ast_unless*)ast;

        // 创建 not 表达式
        zend_ast *not_expr = zend_ast_create_unary(ZEND_AST_NOT, ast_unless->cond);

        // 创建 if 语句
        zend_ast *if_stmt = zend_ast_create_if(not_expr, ast_unless->then_branch, ast_unless->else_branch);

        return if_stmt;
    }

    // 递归处理子节点
    switch (ast->kind) {
        case ZEND_AST_NAMESPACE: {
            zend_ast_namespace *ns = (zend_ast_namespace*) ast;
            ns->stmts = my_ast_process(ns->stmts);
            break;
        }
        case ZEND_AST_LIST: {
            zend_ast_list *list = (zend_ast_list*) ast;
            for (uint32_t i = 0; i < list->children; i++) {
                list->children[i] = my_ast_process(list->children[i]);
            }
            break;
        }
        // 其他类型的 AST 节点处理
        default:
            break;
    }
    return ast;
}

/* {{{ PHP_INI
 */
/* Remove comments and fill if you need to have entries in php.ini
PHP_INI_BEGIN()
    STD_PHP_INI_ENTRY("my_extension.global_value",      "42",     PHP_INI_ALL, OnUpdateLong, global_value, zend_my_extension_globals, my_extension_globals)
    STD_PHP_INI_ENTRY("my_extension.global_string", "foobar",     PHP_INI_ALL, OnUpdateString, global_string, zend_my_extension_globals, my_extension_globals)
PHP_INI_END()
*/
/* }}} */

/* {{{ PHP_MINIT_FUNCTION
 */
PHP_MINIT_FUNCTION(my_extension)
{
    /* If you have INI entries, uncomment these lines
    REGISTER_INI_ENTRIES();
    */
    zend_set_user_opcode_handler(ZEND_USER_OPCODE, my_ast_process);
    return SUCCESS;
}
/* }}} */

/* {{{ PHP_MSHUTDOWN_FUNCTION
 */
PHP_MSHUTDOWN_FUNCTION(my_extension)
{
    /* uncomment this line if you have INI entries
    UNREGISTER_INI_ENTRIES();
    */
    return SUCCESS;
}
/* }}} */

/* {{{ PHP_RINIT_FUNCTION
 */
PHP_RINIT_FUNCTION(my_extension)
{
#if defined(COMPILE_DL_MY_EXTENSION) && defined(ZTS)
    ZEND_TSRMLS_CACHE_UPDATE();
#endif
    return SUCCESS;
}
/* }}} */

/* {{{ PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION
 */
PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION(my_extension)
{
    return SUCCESS;
}
/* }}} */

/* {{{ PHP_MINFO_FUNCTION
 */
PHP_MINFO_FUNCTION(my_extension)
{
    php_info_print_table_start();
    php_info_print_table_header(2, "my_extension support", "enabled");
    php_info_print_table_end();

    /* Remove comments if you have entries in php.ini
    DISPLAY_INI_ENTRIES();
    */
}
/* }}} */

/* {{{ my_extension_functions[]
 *
 * Every user visible function must have an entry in my_extension_functions[].
 */
const zend_function_entry my_extension_functions[] = {
    PHP_FE_END    /* Must be the last line in my_extension_functions[] */
};
/* }}} */

/* {{{ my_extension_module_entry
 */
zend_module_entry my_extension_module_entry = {
    STANDARD_MODULE_HEADER,
    "my_extension",
    my_extension_functions,
    PHP_MINIT(my_extension),
    PHP_MSHUTDOWN(my_extension),
    PHP_RINIT(my_extension),        /* Replace with NULL if there's nothing to do at request start */
    PHP_RSHUTDOWN(my_extension),    /* Replace with NULL if there's nothing to do at request end */
    PHP_MINFO(my_extension),
    PHP_MY_EXTENSION_VERSION,
    STANDARD_MODULE_PROPERTIES
};
/* }}} */

#ifdef COMPILE_DL_MY_EXTENSION
#ifdef ZTS
ZEND_TSRMLS_CACHE_DEFINE()
#endif
ZEND_GET_MODULE(my_extension)
#endif

6. 编写Parser代码 (lexer and parser)

由于PHP的语法解析器使用的是re2c和bison，我们需要修改PHP的语法文件(通常是php_language.y)，添加对unless语句的支持。这包括：

• 添加token: 定义T_UNLESS token。
• 修改lexer: 修改词法分析器，识别unless关键字并生成T_UNLESS token。
• 修改语法规则: 添加unless语句的语法规则。

由于修改语法文件非常复杂，这里只给出修改后php_language.y文件中的相关部分代码（仅为示例，实际修改需要根据具体PHP版本进行调整）。

// 添加 token
%token T_UNLESS "unless"

// 修改语法规则
statement:
    ...
    | T_UNLESS '(' expr ')' statement
        {
            $$ = zend_ast_create_unless($3, $5, NULL); // 没有 else 分支的 unless
        }
    | T_UNLESS '(' expr ')' statement T_ELSE statement
        {
            $$ = zend_ast_create_unless($3, $5, $7); // 带有 else 分支的 unless
        }
    ...
;

注意事项：

• 修改语法文件需要重新编译PHP，非常繁琐，所以尽量避免直接修改PHP核心文件。
• 你需要了解PHP的编译过程和构建系统，才能成功编译修改后的PHP。
• 这个例子只是一个演示，实际的语法扩展可能更复杂。
• 需要在zend_ast_create_unary和zend_ast_create_if的实现中，根据实际的PHP版本调整参数。
• zend_set_user_opcode_handler函数接收的是opcode,这里使用ZEND_USER_OPCODE仅为简化，实际需要指定一个未被使用的opcode。更好的方案是使用zend_set_custom_opcode_handler。

五、编译与测试

1. 编译扩展： 使用phpize、./configure、make、make install等命令编译并安装扩展。
2. 修改php.ini： 添加extension=my_extension.so启用扩展。
3. 编写测试代码： 编写包含unless语句的PHP代码，测试扩展是否生效。

例如，测试代码如下：

<?php
$a = 1;

unless ($a > 2) {
    echo "a is not greater than 2n";
} else {
    echo "a is greater than 2n";
}

?>

如果一切顺利，你应该能看到输出 "a is not greater than 2"。

六、一些更高级的应用场景

除了自定义语法扩展，AST Hook还可以用于：

• 静态类型检查： 在编译阶段检查变量类型，避免运行时错误。
• 安全审计： 检查代码中是否存在潜在的安全漏洞，例如SQL注入、XSS等。
• 代码优化： 对代码进行优化，例如消除冗余代码、内联函数等。
• 代码转换： 将代码转换成另一种形式，例如将PHP代码转换成JavaScript代码。

例如，我们可以使用AST Hook来实现一个简单的静态类型检查器。我们可以定义一个规则，例如要求所有函数都必须声明参数类型和返回值类型，然后在AST处理函数中检查代码是否符合这些规则。

七、使用AST Hook的注意事项

• 性能影响： AST Hook会增加编译时间，因此要尽量减少AST处理函数的复杂度。
• 兼容性： AST Hook可能会影响代码的兼容性，因此要进行充分的测试。
• 维护性： AST Hook的代码通常比较复杂，因此要编写清晰的代码，并进行充分的注释。
• 版本兼容性： 不同PHP版本之间AST的结构可能存在差异，因此需要针对不同的PHP版本编写不同的AST处理函数。

八、更安全，更灵活的方法：使用zend_set_custom_opcode_handler

在上面的例子中，我们使用了zend_set_user_opcode_handler，并占用了ZEND_USER_OPCODE这个opcode。这并不是一个好的做法，因为我们可能会与其他扩展或PHP内核的实现冲突。

更安全、更灵活的方法是使用zend_set_custom_opcode_handler。这个函数允许我们自定义一个新的opcode，并将我们的AST处理函数与这个opcode关联起来。

首先，我们需要在扩展中定义一个新的opcode。这需要在zend_compile.h文件中添加一个新的ZEND_EXTENDED_OPCODE。由于我们不应该直接修改PHP的核心文件，所以这种方法通常需要打补丁。

一个更好的方法是：不直接修改zend_compile.h，而是寻找一个未使用的、保留的opcode范围，并在该范围内选择一个opcode。 PHP内核保留了一些opcode范围供扩展使用，具体可以参考PHP的源代码。

然后，我们可以使用zend_set_custom_opcode_handler将我们的AST处理函数与这个新的opcode关联起来。

// 假设我们选择的自定义 opcode 是 250 (需要确保这个opcode未被使用)
#define MY_CUSTOM_OPCODE 250

PHP_MINIT_FUNCTION(my_extension) {
    // 注册自定义 opcode 处理函数
    zend_set_custom_opcode_handler(MY_CUSTOM_OPCODE, my_ast_process);
    return SUCCESS;
}

在php_language.y 文件中，我们需要修改语法规则，让 unless 语句生成我们自定义的opcode。 这通常需要修改语法规则，插入一个zend_emit_op 函数调用，用于生成自定义的opcode。 同样，直接修改php_language.y 需要重新编译PHP，不推荐。

九、更进一步：使用PHP Parser库

直接操作Zend Engine的AST是非常底层的操作，难度较大。 另一种选择是使用PHP Parser库，例如Nikic的PHP-Parser。

PHP-Parser是一个纯PHP编写的库，可以将PHP代码解析成AST，并提供了一系列的API用于遍历和修改AST。 你可以在PHP代码中修改AST，然后将修改后的AST转换回PHP代码。

虽然PHP-Parser无法像Zend Extension那样在编译期修改AST，但是它可以用于实现一些在运行时可以完成的代码分析和转换任务，例如：

• 代码重构
• 代码生成
• 静态分析

十、AST Hook的局限性

虽然AST Hook非常强大，但是它也有一些局限性：

• 只能在编译期修改代码： AST Hook只能在编译阶段修改AST，无法在运行时修改代码。
• 代码复杂： AST Hook的代码通常比较复杂，需要对Zend Engine和AST有深入的了解。
• 版本依赖： 不同PHP版本的AST结构可能不同，因此需要针对不同的PHP版本编写不同的AST处理函数。
• 权限问题： 修改AST属于底层操作，需要足够的权限才能完成。

总结：编译时修改语法的强大工具

我们探讨了如何通过Zend Extension Hook AST处理函数，在编译期修改PHP语法。虽然这种技术门槛较高，但它为我们提供了强大的能力，可以用来实现自定义语法扩展、静态代码分析与优化、代码转换与混淆等功能。记住，使用AST Hook要谨慎，充分考虑性能、兼容性和维护性等因素。

总结：选择合适的工具与方法

根据实际需求选择合适的工具和方法。如果需要在编译期修改语法，Zend Extension是唯一的选择。如果只需要在运行时进行代码分析和转换，PHP Parser库可能更简单易用。

总结：深入理解底层原理

深入理解Zend Engine、AST以及PHP的编译过程，才能更好地利用AST Hook技术，创造出更强大的PHP扩展。