PHP autoload 機制詳解

PHP在魔術函式__autoload()方法出現以前，如果你要在一個程式檔案中例項化100個物件，那麼你必須用include或者require包含進來100個類檔案，或者你把這100個類定義在同一個類檔案中——相信這個檔案一定會非常大。但是__autoload()方法出來了，以後就不必為此大傷腦筋了，這個類會在你例項化物件之前自動載入制定的檔案。

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檔案裡，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檔案需要使用Person類，它使用了require_once將其包含，然後就可以直接使用Person類來例項化一個物件。

但隨著專案規模的不斷擴大，使用這種方式會帶來一些隱含的問題：如果一個PHP檔案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檔案。如果大量的檔案都需要使用其它的類，那麼要保證每個檔案都包含正確的類檔案肯定是一個噩夢。

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程式有可能在使用類時才自動包含類檔案，而不是一開始就將所有的類檔案include進來，這種機制也稱為lazy loading。

下面是使用autoload機制載入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載入，就會自動執行__autoload()函式，在這個函式中我們可以載入需要使用的類。在我們這個簡單的例子中，我們直接將類名加上副檔名”.class.php”構成了類檔名，然後使用require_once將其載入。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檔名，第二件事是確定類檔案所在的磁碟路徑(在我們的例子是最簡單的情況，類與呼叫它們的PHP程式檔案在同一個資料夾下)，第三件事是將類從磁碟檔案中載入到系統中。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碟檔案的對映方法，只有這樣我們才能根據類名找到它對應的磁碟檔案。

因此，當有大量的類檔案要包含的時候，我們只要確定相應的規則，然後在__autoload()函式中，將類名與實際的磁碟檔案對應起來，就可以實現lazy loading的效果。從這裡我們也可以看出__autoload()函式的實現中最重要的是類名與實際的磁碟檔案對映規則的實現。

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，其類名與實際的磁碟檔案的對映規則不盡相同。這時如果要實現類庫檔案的自動載入，就必須在__autoload()函式中將所有的對映規則全部實現，這樣的話__autoload()函式有可能會非常複雜，甚至無法實現。最後可能會導致__autoload()函式十分臃腫，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檔案的執行分為兩個獨立的過程，第一步是將PHP檔案編譯成普通稱之為OPCODE的位元組碼序列（實際上是編譯成一個叫做zend_op_array的位元組陣列），第二步是由一個虛擬機器來執行這些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檔案編譯成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/ 下載該軟體。
     */
    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行程式碼中我們需要為類Person例項化一個物件。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行程式碼生成的OPCODE中我們知道，在例項化物件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的原始碼(我使用的是PHP 5.3alpha2版本)可以發現如下的呼叫序列：

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)

在最後一步的呼叫之前，我們先看一下呼叫時的關鍵引數：

/* 設定autoload_function變數值為”__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中最重要的函式之一，其主要功能是執行使用者在PHP程式中自定義的函式或者PHP本身的庫函式。zend_call_function有兩個重要的指標形引數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指標為NULL，則嘗試查詢函式名為fcall_info.function_name的函式，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指向的函式。

現在我們清楚了，PHP在例項化一個物件時（實際上在實現介面，使用類常數或類中的靜態變數，呼叫類中的靜態方法時都會如此），首先會在系統中查詢該類（或介面）是否存在，如果不存在的話就嘗試使用autoload機制來載入該類。而autoload機制的主要執行過程為：

1. 檢查執行器全域性變數函式指標autoload_func是否為NULL。
2. 如果autoload_func==NULL, 則查詢系統中是否定義有__autoload()函式，如果沒有，則報告錯誤並退出。
3. 如果定義了__autoload()函式，則執行__autoload()嘗試載入類，並返回載入結果。
4. 如果autoload_func不為NULL，則直接執行autoload_func指標指向的函式用來載入類。注意此時並不檢查__autoload()函式是否定義。

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，是使用使用者定義的__autoload()函式，這通常在PHP源程式中來實現；另外一種就是設計一個函式，將autoload_func指標指向它，這通常使用C語言在PHP擴充套件中實現。如果既實現了__autoload()函式，又實現了autoload_func(將autoload_func指向某一PHP函式)，那麼只執行autoload_func函式。

3. SPL autoload 機制的實現

SPL是Standard PHP Library(標準PHP庫)的縮寫。它是PHP5引入的一個擴充套件庫，其主要功能包括autoload機制的實現及包括各種Iterator介面或類。SPL autoload機制的實現是通過將函式指標autoload_func指向自己實現的具有自動裝載功能的函式來實現的。SPL有兩個不同的函式spl_autoload, spl_autoload_call，通過將autoload_func指向這兩個不同的函式地址來實現不同的自動載入機制。

spl_autoload是SPL實現的預設的自動載入函式，它的功能比較簡單。它可以接收兩個引數，第一個引數是$class_name，表示類名，第二個引數$file_extensions是可選的，表示類檔案的副檔名，可以在$file_extensions中指定多個副檔名，護展名之間用分號隔開即可；如果不指定的話，它將使用預設的副檔名.inc或.php。spl_autoload首先將$class_name變為小寫，然後在所有的include path中搜尋$class_name.inc或$class_name.php檔案(如果不指定$file_extensions引數的話)，如果找到，就載入該類檔案。你可以手動使用spl_autoload(”Person”, “.class.php”)來載入Person類。實際上，它跟require/include差不多，不同的它可以指定多個副檔名。

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函式。在PHP指令碼中第一次呼叫spl_autoload_register()時不使用任何引數，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擴充套件中實現的，我們無法擴充它的功能。如果想實現自己的更靈活的自動載入機制怎麼辦呢？這時，spl_autoload_call函式閃亮登場了。

我們先看一下spl_autoload_call的實現有何奇妙之處。在SPL模組內部，有一個全域性變數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連結串列，連結串列中的每一個元素都是一個函式指標,指向一個具有自動載入類功能的函式。spl_autoload_call本身的實現很簡單，只是簡單的按順序執行這個連結串列中每個函式，在每個函式執行完成後都判斷一次需要的類是否已經載入，如果載入成功就直接返回，不再繼續執行連結串列中的其它函式。如果這個連結串列中所有的函式都執行完成後類還沒有載入，spl_autoload_call就直接退出，並不向使用者報告錯誤。因此，使用了autoload機制，並不能保證類就一定能正確的自動載入，關鍵還是要看你的自動載入函式如何實現。

那麼自動載入函式連結串列autoload_functions是誰來維護呢？就是前面提到的spl_autoload_register函式。它可以將使用者定義的自動載入函式註冊到這個連結串列中，並將autoload_func函式指標指向spl_autoload_call函式（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函式將已經註冊的函式從autoload_functions連結串列中刪除。

上節說過，當autoload_func指標非空時，就不會自動執行__autoload()函式了，現在autoload_func已經指向了spl_autoload_call，如果我們還想讓__autoload()函式起作用應該怎麼辦呢？當然還是使用spl_autoload_register(__autoload)呼叫將它註冊到autoload_functions連結串列中。

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載入函式，然後使用spl_autoload_register分別將其註冊到SPL自動載入函式佇列中就可了。這樣我們就不用維護一個非常複雜的__autoload函式了。

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，甚至有人乾脆提議為了效率不要使用autoload。在我們瞭解了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載入到系統中。

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使用者設計的自動載入函式。如果它不能高效的將類名與實際的磁碟檔案(注意，這裡指實際的磁碟檔案，而不僅僅是檔名)對應起來，系統將不得不做大量的檔案是否存在(需要在每個include path中包含的路徑中去尋找)的判斷，而判斷檔案是否存在需要做磁碟I/O操作，眾所周知磁碟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碟檔案對映的機制。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式才會導致其效率的降低。