PHP回顾之流

作者 | 2018年5月28日

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上篇 “PHP回顾之IO” 提到读取文件、网络通信等操作,本质上是与 “流(stream)” 打交道。流机制是许多编程语言的重要机制,程序通过流可自由操作文件、内存、网络等设备的数据。

本文先简要跟踪PHP底层流的原理,再回到用户态中流的使用。

底层流

我们知道PHP中的fopen函数可以打开本地文件、URL等并返回一个句柄,freadfwrite函数能对资源句柄进行读写,fclose用于关闭资源。PHP如何做到使用一致API对不同数据源进行操作?答案是PHP引入了“流”的概念,在底层对操作进行抽象,带来的好处是上层可用同一套API。

为了理解PHP中的流,我们先追踪PHP中fopen函数调用过程。PHP的底层用C实现,阅读文中的代码需要一定的C语言基础。如果不熟悉C语言,关注其思路即可。

用户态的fopen函数定义在ext/standard/file.c文件中,函数体如下:

PHP_NAMED_FUNCTION(php_if_fopen)
{
    // 一些初始化代码
    context = php_stream_context_from_zval(zcontext, 0);
    stream = php_stream_open_wrapper_ex(filename, mode, (use_include_path ? USE_PATH : 0) | REPORT_ERRORS, NULL, context);

    if (stream == NULL) {
        RETURN_FALSE;
    }
    php_stream_to_zval(stream, return_value);
}

PHP_NAMED_FUNCTION(php_if_fopen)定义PHP中的fopen函数(区别C中的fopen),有拓展开发基础的应当对这种写法熟悉。略过初始化等无关紧要的代码,fopen主要工作是获取流对象(stream)并转成PHP值类型(zval)返回。

流对象由php_stream_open_wrapper_ex函数返回,该函数位于main/php_streams.h中,是定义在main/streams/streams.c_php_stream_open_wrapper_ex的别名:

PHPAPI php_stream *_php_stream_open_wrapper_ex(const char *path, const char *mode, int options,
        zend_string **opened_path, php_stream_context *context STREAMS_DC)
{
    // 初始化代码
    wrapper = php_stream_locate_url_wrapper(path, &path_to_open, options);
    if (options & STREAM_USE_URL && (!wrapper || !wrapper->is_url)) {
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "This function may only be used against URLs");
        if (resolved_path) {
            zend_string_release(resolved_path);
        }
        return NULL;
    }

    if (wrapper) {
        if (!wrapper->wops->stream_opener) {
            php_stream_wrapper_log_error(wrapper, options ^ REPORT_ERRORS,
                    "wrapper does not support stream open");
        } else {
            stream = wrapper->wops->stream_opener(wrapper,
                path_to_open, mode, options ^ REPORT_ERRORS,
                opened_path, context STREAMS_REL_CC);
        }

    }
    // stream检测等代码
}

_php_stream_open_wrapper_ex函数的工作主要有两点:1. 调用php_stream_locate_url_wrapper函数获取协议包装器(wrapper);2. 调用包装器打开资源并返回流对象。

接着看同一文件内获取包装器的函数php_stream_locate_url_wrapper

PHPAPI php_stream_wrapper *php_stream_locate_url_wrapper(const char *path, const char **path_for_open, int options)
{
    // 一些初始化代码
    for (p = path; isalnum((int)*p) || *p == '+' || *p == '-' || *p == '.'; p++) {
        n++;
    }

    if ((*p == ':') && (n > 1) && (!strncmp("//", p+1, 2) || (n == 4 && !memcmp("data:", path, 5)))) {
        protocol = path;
    }

    if (protocol) {
        if (NULL == (wrapper = zend_hash_str_find_ptr(wrapper_hash, protocol, n))) {
            char *tmp = estrndup(protocol, n);

            php_strtolower(tmp, n);
            if (NULL == (wrapper = zend_hash_str_find_ptr(wrapper_hash, tmp, n))) {
                char wrapper_name[32];

                if (n >= sizeof(wrapper_name)) {
                    n = sizeof(wrapper_name) - 1;
                }
                PHP_STRLCPY(wrapper_name, protocol, sizeof(wrapper_name), n);

                php_error_docref(NULL, E_WARNING, "Unable to find the wrapper \"%s\" - did you forget to enable it when you configured PHP?", wrapper_name);

                wrapper = NULL;
                protocol = NULL;
            }
            efree(tmp);
        }
    }
    /* TODO: curl based streams probably support file:// properly */
    if (!protocol || !strncasecmp(protocol, "file", n)) {
        /* fall back on regular file access */
        php_stream_wrapper *plain_files_wrapper = (php_stream_wrapper*)&php_plain_files_wrapper;

        // 检测代码

        return plain_files_wrapper;
    }
    // 检测远程文件等
    return wrapper;
}

php_stream_locate_url_wrapper中,我们终于知道fopen支持本地文件、HTTP/FTP、php://等多种数据源的奥秘:函数先查找路径是否以“http://”、”ftp://”类似协议开头,有则从注册的包装器列表中查找对应包装器;不以协议开头则回退到本地文件模式(php_plain_files_wrapper);fopen返回的流对象由包装器打开。

追踪以上代码,fopen的奥秘已经暴露无遗,但有两个关键点:1. 流对象(php_stream)是什么?2. 包装器(php_stream_wrapper)是什么?

内核开发者在源码的README.STREAMS文件中解释使用流的原因:让拓展开发者能像普通文件一样操作数据。为达到这个目的,流操作的资源都是php_stream对象。统一好资源接口后,PHP还定义了与文件操作对应的一套流函数:

流函数的第一个参数总是php_stream对象,例如与fread对应的php_stream_read函数定义为:PHPAPI size_t php_stream_read(php_stream * stream, char * buf, size_t count)

流操作的支持和具体操作由包装器决定(流包装器实际会调用php_stream中ops成员的具体函数,这些函数在包装器打开流时被正确的赋值)。同样是读取数据(fread),从文件中读和从内存中读做法不同。另外有些操作对某些流不适用。例如http协议支持fread,但不支持fwrite;普通文件可以其大小,但ssh2://协议的数据大小不可知(stat函数不可用)。内置的协议包装器列表和可用操作可参考官方文档中的“支持的协议和包装器”。

更多关于底层流的操作可参考官方文档中开发者的“”章节,本文不再深入。

用户态流

让我们回到PHP应用层面,即用户态中的流。PHP的官方手册有专门讲解用户态流的章节,并提供一系列以stream开头的函数。由于fread/fputs等函数已经包含常见的流操作,stream开头的函数主要分为三类:辅助的过滤器filter和上下文context,包装器以及socket编程。网络编程将在后续的文章中讲解,我们先关注包装器。

开发者可以注册流包装器实现自定义协议,通过协议才能正常解析流的数据。比如我们为下面的小姐姐实现一个专属的协议secret://

class SecretStream {
    private $position;
    private $file;
    private $cipher = "aes-256-cbc";
    private $key = "little-sister";

    function stream_open($path, $mode, $options, &$opened_path)
    {
        $info = parse_url($path);
        $this->file = fopen($info["host"], $mode);
        $this->position = 0;
        return true;
    }

    function stream_read($count)
    {
        $line = fgets($this->file);
        $text = openssl_decrypt(base64_decode($line), $this->cipher, $this->key);
        $this->position += strlen($text);
        return $text;
    }

    function stream_write($data)
    {
        $raw = @openssl_encrypt($data, $this->cipher, $this->key);
        $base64 = base64_encode($raw);
        fwrite($this->file, $base64 . PHP_EOL);
        $this->position += strlen($data);
        return strlen($data);
    }

    function stream_tell()
    {
        return $this->position;
    }

    function stream_eof()
    {
        return feof($this->file);
    }

    function stream_close()
    {
        fclose($this->file);
    }
}

使用自定义协议先要注册,然后就可以正常使用了:

// 先注册自定义协议
stream_wrapper_register("secret", "SecretStream")
    or die("Failed to register protocol");

// 写数据
$fp = fopen("secret://Akari", "w+");
fwrite($fp, "IPZ-985\n");
fwrite($fp, "IPX-021\n");
fwrite($fp, "IPZ-933\n");
fclose($fp);

// 由于协议未实现seek功能,不能通过rewind让文件指针到头部,需要重新打开
$fp = fopen("secret://Akari", "r");
while (!feof($fp)) {
    echo fgets($fp);
}
fclose($fp);

通过简单的代码,我们安全的存储了小姐姐的数据,也守护了小姐姐的秘密。其他人即使获取到文件内容,不通过我们的协议打开也很难知道具体内容。有没有感觉很不错?小姐姐和你比心哦~

总结

本文先回顾了PHP流底层的细节,再回到应用层中流的使用,并给出了一个简单的流包装器示例(例子简单,可用流章节中的php_user_filter来实现)。有兴趣的读者可以为下面的小姐姐创建自定义的协议,示例内容可以是:SSNI-056、SSNI-014、SNIS-662等。

本文感谢“微通广州”的赞助。

感谢阅读,欢迎指正!

参考

  1. http://php.net/manual/en/book.stream.php
  2. http://php.net/manual/en/internals2.ze1.streams.php
  3. https://blog.csdn.net/lgg201/article/details/6912025
  4. https://post.zz173.com/course/Extending%20and%20Embedding%20PHP/15.1.html

感谢阅读,敬请指正!

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