Порядок вычисления в PHP

Примечание переводчика.
Никита Попов внёс и продолжает вносить огромный вклад в развитие языка PHP. Он очень хорошо понимает внутренности движка PHP и в данной статье он объясняет некоторые особенности работы PHP в плане порядка вычисления выражений, которые, пожалуй, особо нигде и не найти. Этой статье около 7 лет и она практически не потеряла актуальность, однако найти её довольно сложно, потому что её нет в блоге Никиты Попова, а она опубликована в его gist-ах на гитхабе. Думаю полезно будет представить её сообществу на русском языке.

В своём любимом сообществе lolphp на реддит я наткнулся на пост, где люди удивляются результату следующего кода:

<?php

$a = 1;
$c = $a + $a++;
var_dump($c); // int(3)

$a = 1;
$c = $a + $a + $a++;
var_dump($c); // int(3)

Как вы видите, выражения ($a + $a++) и ($a + $a + $a++) дают одинаковый результат, что довольно неожиданно. Что же здесь происходит?

Приоритет и ассоциативность операторов

Многие люди думают, что порядок вычисления выражения определяется приоритетом и ассоциативностью операторов, но это не так. Приоритет и ассоциативность определяют лишь порядок группировки операций в выражении.
В первом выражении $c = $a + $a++; пост-инкремент "++" имеет более высокий приоритет, чем "+", поэтому "$a++" является отдельной группой:

$c = $a + ($a++);

Во втором выражении $c = $a + $a + $a++; пост-инкремент "++" снова имеет более высокий приоритет, нежели "+":

$c = $a + $a + ($a++);

И "+" является лево-ассоциативным оператором, поэтому левый "+" формирует отдельную группу:

$c = ($a + $a) + ($a++);

^{Примечание переводчика: код из оригинальной статьи представлял примеры выражений и не являлся валидным, поэтому он был несколько скорректирован.}

Что же это говорит нам о порядке вычисления? Ничего. Приоритет и ассоциативность операторов определяют группировку, но они не говорят о том, в каком порядке эти группы будут выполняться. В частности, в последнем примере, как ($a + $a), так и ($a++) может быть выполнено в первую очередь.

В PHP на самом деле не определено что же произойдет. Одна версия PHP может выдать вам один результат, а другая — другой. Не пишите код, который зависит от какого-то определенного порядка вычисления выражения.

CV оптимизации

Все-таки, даже не смотря на то, что PHP не определяет порядок вычисления, будет интересно выяснить, почему же мы получаем довольно неожиданный результат в первом выражении (он будет одинаковым во всех последних версиях PHP).

Причина такого результата кроется в оптимизации компилируемых переменных (compiled variables, CV), которая была добавлена в PHP 5.1. Данная оптимизация по сути позволяет простым переменным (например, $a, но не $a->b или $a['b']) напрямую быть операндами опкодов. Опкоды — это то, что PHP генерирует из вашего скрипта и то, что выполняет Zend VM (виртуальная машина Zend). Каждый опкод имеет максимум 2 операнда и опциональный результат.

А теперь давайте посмотрим на опкоды, сгенерированные двумя примерами кода.
Начнем с $a + $a + $a++:

// code:
$a = 1;
$c = ($a + $a) + ($a++);

// opcodes:
         ASSIGN   $a, 1
$tmp_1 = ADD      $a, $a
$tmp_2 = POST_INC $a
$tmp_3 = ADD      $tmp_1, $tmp_2
         ASSIGN   $c, $tmp_3

Сгенерированные опкоды получаются довольно понятными:

• сначала идет присваивание $a = 1,
• далее — сложение $a + $a с сохранением результата во временную переменную $tmp_1,
• затем выполняется пост-инкремент $a с сохранением результата в $tmp_2,
• и, наконец, сложение обоих временных переменных и присвоение результата переменной $c.

Вычисление здесь происходит слева направо (сначала выполняется $a + $a, затем $a++), как вы, наверное, и ожидали.

А теперь давайте рассмотрим вариант $a + $a++:

// code:
$a = 1;
$c = $a + ($a++);

// opcodes:
         ASSIGN   $a, 1
$tmp_1 = POST_INC $a
$tmp_2 = ADD      $a, $tmp_1
         ASSIGN   $c, $tmp_2

Как вы видите, в этом случае POST_INC ($a++) выполянется в первую очередь, и значение $a считывается напрямую опкодом ADD. Почему? Потому что чтение значения переменной не требует дополнительных опкодов. Любой опкод умеет считывать значения простых переменных. Это и есть CV оптимизация.

Когда не происходит CV оптимизация

Примечание переводчика: в оригинальной статье Никита Попов рассматривает вариант, когда CV оптимизации не срабатывают из-за использования оператора подавления ошибок @. Но это происходит лишь в PHP 5.x, а в PHP 7 оптимизации работают в том числе и в этом случае. Поэтому перевод оригинала, применимый только к PHP 5 убран в спойлер, а мы же рассмотрим вариант, когда код из примеров работает по-другому из-за отсутствия CV оптимизаций в силу не использования CV.

<?php

$a = 1;
@ $c = $a + $a++;
var_dump($c); // int(2)

         ASSIGN        $a, 1
$tmp_1 = BEGIN_SILENCE
$var_3 = FETCH_R       'a'
$tmp_4 = POST_INC      $a
$tmp_5 = ADD           $var_3, $tmp_4
$var_2 = FETCH_W       'c'
         ASSIGN        $var_2, $tmp_5
         END_SILENCE   $tmp_1

CV оптимизация не выполняется, например, в случае обращения к элементам массивов или свойствам объектов.

Давайте проверим. Мы снова возьмем выражение $a + $a++, но в этот раз будем использовать обращение к элементу массива вместо переменной:

<?php

$a = [1];
$c = $a[0] + $a[0]++;
var_dump($c); // int(2)

Теперь, когда мы начали использовать массив, результат неожиданно поменялся с 3 на 2. И чтобы выяснить почему, давайте взглянем на опкоды:

         ASSIGN        $a, [1]
$tmp_3 = FETCH_DIM_R   'a', 0
$var_4 = FETCH_DIM_RW  'a', 0
$tmp_5 = POST_INC      $var_4
$tmp_6 = ADD           $tmp_3, $tmp_5
         ASSIGN        $c, $tmp_6

Как мы видим, обращение к элементу массива здесь происходит при помощи FETCH_DIM_R (для считывания) и FETCH_DIM_RW (для чтения/записи) вместо прямого использования его в качестве операндов.

Именно потому, что получение операндов для сложения сейчас имеет отдельный опкод, оно будет происходить до инкремента, и результат будет другим.

На самостоятельное изучение оставлю аналогичный пример, но с использованием объектов. Найти пример кода можно по этой ссылке на 3v4l.org.

Выводы

Если делать какие-то выводы из всего этого, то я думаю они должны быть такими:

1. Не нужно полагаться на порядок вычисления выражений. Он не определен.
2. Оператор @ отключает CV оптимизации и в результате ухудшает производительность. Оператор @ в принципе плохо сказывается на производительности.

~nikic

Примечание переводчика: как было сказано выше, @ отключает CV оптимизации только в 5.x, в PHP 7 CV оптимизации имеют место даже в случае использования оператора подавления ошибок (но возможно, это происходит не во всех случаях). У Никиты Попова в блоге есть интересная статья Static Optimization in PHP 7, на случай, если кто-то хочет глубже копнуть тему оптимизации.