PHP 9.0可能的Opcode重构：目标是更接近SSA形式以利于JIT优化

好的，让我们开始探讨PHP 9.0中可能的Opcode重构，重点是使其更接近静态单赋值（SSA）形式，以促进Just-In-Time（JIT）优化。

PHP Opcode 和优化的背景

在深入讨论具体的重构方案之前，我们先回顾一下PHP的执行流程以及Opcode在其中的作用。PHP代码首先被解析器（Parser）转化为抽象语法树（AST）。然后，AST会被编译成一系列的Opcode。Opcode是PHP虚拟机（Zend Engine）能够理解和执行的指令。

PHP引擎在执行Opcode时，通常是解释执行。这意味着Opcode会被逐条读取，然后由解释器根据Opcode的类型执行相应的操作。这种解释执行的方式虽然简单，但是效率相对较低。JIT编译器正是为了解决这个问题而诞生的。

JIT编译器会在运行时将一部分Opcode编译成机器码，然后直接执行机器码。由于机器码是针对特定CPU架构优化的，因此执行效率会比解释执行高很多。

Zend Engine 的 JIT 在 PHP 8 中得到了显著的提升，但仍然存在优化的空间。一个关键的瓶颈在于Opcode的结构。当前的Opcode形式不够规则，不利于JIT编译器进行分析和优化。

静态单赋值 (SSA) 形式简介

静态单赋值（SSA）是一种程序表示形式，它的特点是每个变量只被赋值一次。如果一个变量在源代码中被多次赋值，那么在SSA形式中，这些赋值会被转换为对不同版本变量的赋值。

例如，考虑以下PHP代码：

$x = 10;
$x = $x + 5;
$y = $x * 2;

转换为SSA形式后，代码会变成这样：

$x1 = 10;
$x2 = $x1 + 5;
$y1 = $x2 * 2;

可以看到，原来的变量$x被拆分成了$x1和$x2。每个变量只被赋值一次。

SSA形式具有很多优点，尤其是在编译器优化方面。

• 简化数据流分析： 由于每个变量只被赋值一次，因此很容易追踪变量的值在程序中的传播路径。
• 便于进行常量传播： 如果一个变量的值是常量，那么可以直接将这个常量值替换掉所有使用该变量的地方。
• 便于进行死代码消除： 如果一个变量的值没有被使用，那么可以安全地删除掉对该变量的赋值操作。
• 便于进行循环优化： SSA形式可以更容易地识别循环中的不变代码，并将其移出循环。

PHP Opcode 的现状

PHP Opcode的结构相对复杂，主要原因如下：

• 动态类型： PHP是动态类型语言，变量的类型在运行时才能确定。这给Opcode的生成和执行带来了很大的挑战。
• 大量的内置函数： PHP拥有大量的内置函数，每个函数都有自己独特的行为。这使得Opcode的种类繁多，难以统一。
• 历史原因： PHP经过多年的发展，Opcode的结构也经历了很多次的修改。一些历史遗留问题导致Opcode的结构不够清晰。

现有的PHP Opcode结构不利于转化为SSA形式，主要体现在以下几个方面：

1. 变量的多次赋值： PHP代码中，变量经常会被多次赋值。这与SSA形式的要求相悖。
2. 动态类型带来的不确定性： 变量的类型在运行时才能确定，这使得编译器很难推断变量的值。
3. 操作数类型的多样性： Opcode的操作数可以是变量、常量、或者其他的Opcode。这增加了编译器的分析难度。

一个简化的Opcode示例 (实际Opcode包含更多字段):

typedef struct _zend_op {
    zend_uchar opcode;       // 操作码
    zend_uchar extended_value; // 扩展值
    uint32_t  op1_type;      // 操作数1类型
    znode_op  op1;           // 操作数1
    uint32_t  op2_type;      // 操作数2类型
    znode_op  op2;           // 操作数2
    zend_result_type result_type; // 结果类型
    znode_op result;         // 结果
} zend_op;

typedef union _znode_op {
    uint32_t      constant;
    uint32_t      var;
    uint32_t      num;
    void          *ptr;
} znode_op;

其中，op1_type，op2_type，result_type指示了操作数和结果的类型，例如：

• IS_CONST：常量
• IS_VAR：变量
• IS_TMP_VAR：临时变量

op1，op2，result则存储了操作数和结果的值。

PHP 9.0 中 Opcode 重构的可能方案

为了使PHP Opcode更接近SSA形式，可以考虑以下几个方面的重构：

1. 引入虚拟寄存器： 使用虚拟寄存器来代替现有的变量。每个虚拟寄存器只被赋值一次。这可以有效地解决变量多次赋值的问题。
2. 类型推断： 尽可能地进行类型推断，以确定变量的类型。这可以减少动态类型带来的不确定性。可以使用一些静态分析技术，例如数据流分析和控制流分析，来进行类型推断。
3. 简化操作数类型： 限制Opcode的操作数类型，例如只允许变量和常量作为操作数。这可以简化编译器的分析难度。
4. 增加 Opcode 的种类： 针对不同的数据类型和操作，增加Opcode的种类。例如，可以增加专门针对整数加法和浮点数加法的Opcode。这可以使JIT编译器更容易进行优化。
5. 显式地处理 phi 函数： 在SSA形式中，phi函数用于合并来自不同控制流路径的值。需要在Opcode中显式地表示phi函数。

下面是一些具体的Opcode重构示例：

• 算术运算：

  现有的Opcode：

  ADD $x, $y, $z  // $z = $x + $y

  重构后的Opcode：

  ADD_INT  %r1, %r2, %r3  // %r3 = %r1 + %r2 (整数加法)
  ADD_FLOAT %r1, %r2, %r3 // %r3 = %r1 + %r2 (浮点数加法)

  其中，%r1，%r2，%r3是虚拟寄存器。通过区分整数加法和浮点数加法，JIT编译器可以生成更高效的机器码。

• 条件分支：

  现有的Opcode：

  IS_EQUAL $x, $y, ~L1
  ...
  L1:

  重构后的Opcode：

  JE_INT %r1, %r2, L1  // 如果 %r1 == %r2 (整数)，则跳转到 L1
  JF_FLOAT %r1, %r2, L1 // 如果 %r1 == %r2 (浮点数)，则跳转到 L1
  ...
  L1:

  通过区分不同的数据类型，JIT编译器可以避免不必要的类型转换。

• Phi 函数：

  考虑以下PHP代码：

  if ($condition) {
      $x = 10;
  } else {
      $x = 20;
  }
  $y = $x + 5;

  转换为SSA形式后，代码会变成这样：

  if ($condition) {
      $x1 = 10;
  } else {
      $x2 = 20;
  }
  $x3 = phi($x1, $x2); // phi函数
  $y1 = $x3 + 5;

  重构后的Opcode：

  IF $condition, L1, L2
  L1:
      ASSIGN_INT %r1, 10
      GOTO L3
  L2:
      ASSIGN_INT %r2, 20
      GOTO L3
  L3:
      PHI_INT %r3, %r1, %r2  // %r3 = phi(%r1, %r2)
      ADD_INT %r3, 5, %r4     // %r4 = %r3 + 5

  其中，PHI_INT Opcode表示phi函数。它将根据控制流的路径选择%r1或%r2的值赋给%r3。

实现细节和考虑因素

在实现上述重构方案时，需要考虑以下几个因素：

• 向后兼容性： Opcode的重构可能会影响现有的PHP代码的执行。需要仔细考虑如何保证向后兼容性。可以使用一些兼容性层，将新的Opcode转换为旧的Opcode。
• 性能影响： Opcode的重构可能会带来性能上的影响。需要进行充分的性能测试，以确保重构后的Opcode的性能不会下降。
• 开发成本： Opcode的重构是一个复杂的过程，需要投入大量的人力和时间。需要仔细评估开发成本。

一些代码示例

以下是一些伪代码示例，展示了如何使用虚拟寄存器和类型推断来生成SSA形式的Opcode。

// 假设我们有以下PHP代码：
// $x = 10;
// $x = $x + 5;
// $y = $x * 2;

// 1. 创建虚拟寄存器
reg_t r1 = new_register(TYPE_INT); // r1: int
reg_t r2 = new_register(TYPE_INT); // r2: int
reg_t r3 = new_register(TYPE_INT); // r3: int

// 2. 生成Opcode
emit(OP_ASSIGN_INT, r1, 10);        // r1 = 10
emit(OP_ADD_INT, r2, r1, 5);         // r2 = r1 + 5
emit(OP_MUL_INT, r3, r2, 2);         // r3 = r2 * 2

在这个例子中，我们首先创建了三个虚拟寄存器r1，r2，r3，并指定它们的类型为整数。然后，我们生成了三个Opcode，分别用于赋值、加法和乘法。每个Opcode都使用虚拟寄存器作为操作数。

再看一个稍微复杂一点的例子，涉及到条件分支和phi函数：

// 假设我们有以下PHP代码：
// if ($condition) {
//     $x = 10;
// } else {
//     $x = 20;
// }
// $y = $x + 5;

// 1. 创建虚拟寄存器
reg_t r1 = new_register(TYPE_INT); // r1: int
reg_t r2 = new_register(TYPE_INT); // r2: int
reg_t r3 = new_register(TYPE_INT); // r3: int
reg_t r4 = new_register(TYPE_INT); // r4: int

// 2. 生成Opcode
label_t L1 = new_label();
label_t L2 = new_label();
label_t L3 = new_label();

emit(OP_IF, $condition, L1, L2);   // if ($condition) goto L1 else goto L2

emit_label(L1);                     // L1:
emit(OP_ASSIGN_INT, r1, 10);        // r1 = 10
emit(OP_GOTO, L3);                  // goto L3

emit_label(L2);                     // L2:
emit(OP_ASSIGN_INT, r2, 20);        // r2 = 20
emit(OP_GOTO, L3);                  // goto L3

emit_label(L3);                     // L3:
emit(OP_PHI_INT, r3, r1, r2);       // r3 = phi(r1, r2)
emit(OP_ADD_INT, r4, r3, 5);         // r4 = r3 + 5

在这个例子中，我们首先创建了四个虚拟寄存器r1，r2，r3，r4，并指定它们的类型为整数。然后，我们生成了一系列Opcode，包括条件分支、赋值、跳转和phi函数。OP_PHI_INT Opcode用于表示phi函数，它将根据控制流的路径选择r1或r2的值赋给r3。

JIT 编译器如何利用 SSA 形式的 Opcode

JIT编译器可以利用SSA形式的Opcode进行各种优化，例如：

• 常量传播： 如果一个虚拟寄存器的值是常量，那么可以直接将这个常量值替换掉所有使用该虚拟寄存器的地方。
• 死代码消除： 如果一个虚拟寄存器的值没有被使用，那么可以安全地删除掉对该虚拟寄存器的赋值操作。
• 循环优化： SSA形式可以更容易地识别循环中的不变代码，并将其移出循环。
• 寄存器分配： SSA形式可以更容易地进行寄存器分配，从而减少内存访问的次数。

总结和展望

Opcode的重构是PHP 9.0中一个重要的方向。通过将Opcode转化为更接近SSA的形式，可以为JIT编译器提供更多的优化空间，从而提升PHP的性能。当然，Opcode的重构是一个复杂的过程，需要仔细考虑各种因素，并进行充分的测试。

一些额外的思考

• 与中间表示（IR）的关系： 进一步的设计可以考虑引入更通用的中间表示（IR），Opcode可以作为IR的一种形式，或者编译到IR之后再进行优化。这可以提高编译器的灵活性和可扩展性。
• 动态优化的可能性： 除了静态编译优化，还可以探索动态优化。例如，根据运行时的profile信息，动态地调整Opcode的执行策略。

总之，PHP Opcode的重构是一个值得期待的方向，它有望为PHP带来更大的性能提升。