- Add five new reference types (INT_REF, STR_REF, FLOAT_REF, BOOL_REF, ARRAY_REF) - Create typed reference ABI using C++ references for strict type safety - Implement RefWrap<T> bridge for dynamic PHP reference compatibility - Add getRawVarType() and update getVarType() to handle reference unwrapping - Enforce strict typing rules preventing fixed storage corruption via references - Support typed property and array element reference handling - Implement exception-safe reference binding with propermaster
parent
2166e1a1a1
commit
50a8ce1570
5 changed files with 477 additions and 19 deletions
@ -0,0 +1,438 @@ |
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# 强类型原生引用设计 |
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本文描述 TypePHP 0.8 的强类型引用模型。这里的“强类型引用”是 C++ 引用， |
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不是 `php::Ref` 的另一种名字。 |
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## 目标 |
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TypePHP 默认把 `int`、`string`、`float`、`bool`、`array` 保存为固定 C++ |
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类型。引用不得迫使这些变量退化为 `php::Var`，也不得允许动态代码静默改变 |
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它们的类型。 |
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```php |
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$value = 100; |
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$alias =& $value; |
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``` |
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上述变量的逻辑类型分别为 `int` 和 `int&`。在可证明安全的原生路径中，生成 |
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等价的 C++ 引用，而不是创建 Zend reference： |
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```cpp |
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php::Int value = 100; |
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php::Int &alias = value; |
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``` |
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## 类型系统 |
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新增五种引用类型： |
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| TypePHP 类型 | 引用目标 | C++ ABI | |
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| `INT_REF` | `int` | `php::Int &` | |
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| `STR_REF` | `string` | `php::Str &` | |
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| `FLOAT_REF` | `float` | `php::Float &` | |
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| `BOOL_REF` | `bool` | `php::Bool &` | |
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| `ARRAY_REF` | `array` | `php::Array &` | |
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`REF` 继续专指动态 PHP 引用，C++ 存储为 `php::Ref`。不能把 typed-ref 与 |
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`REF` 合并，否则编译器会丢失引用目标类型，赋值、运算和静态调用都将退化为 |
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动态 `zval` 操作。 |
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以下帮助函数必须成为唯一的类型转换入口： |
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- `isTypedRefType($type)`：是否为五种 typed-ref； |
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- `getReferenceType($type)`：值类型转为 typed-ref； |
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- `getReferencedType($type)`：typed-ref 转为值类型； |
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- `getReferenceCppType($type)`：生成 `T &` ABI； |
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- `isAnyRefType($type)`：typed-ref 或动态 `REF`。 |
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SSA 只能保留或缩窄引用目标类型，不得把 typed-ref 提升成 `VAR/REF`。 |
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类型系统必须区分三个概念： |
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- **值类型**：表达式参与运算、普通赋值和按值传参时看到的 `INT/STR/...`； |
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- **绑定类型**：变量槽位是普通值、typed-ref，还是动态 `REF`； |
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- **引用根**：多个 typed-ref 最终指向的同一个固定存储变量。 |
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例如 `$d =& $b` 中，`$b/$d` 的值类型都是 `INT`，绑定类型都是 `INT_REF`， |
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引用根都是 `$a`。绝大多数表达式只查询值类型；引用赋值、ABI、生命周期和移动优化 |
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必须查询原始绑定类型，不能用解除引用后的类型代替。 |
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建议在函数上下文中保存： |
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```text |
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localVars[$name] = INT | INT_REF | REF | ... |
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typedRefRoots[$name] = $rootName |
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typedRefBindings[$name] = $targetName |
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``` |
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`getVarType()` 返回表达式值类型，`getRawVarType()` 返回绑定类型。 |
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## 参数 ABI |
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带有五种明确类型的引用参数使用 C++ 引用： |
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```php |
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function increment(int &$value): void |
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{ |
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$value++; |
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} |
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``` |
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```cpp |
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void php_increment(php::Int &value); |
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``` |
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无类型、`mixed`、`any`、union 或运行时才能确定的引用参数继续使用 |
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`php::Ref`。对象、resource、stream、Native Object、typed object、Box 和 |
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`std` container 不支持 typed-ref；这些值本来就使用句柄、指针或共享对象语义， |
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再对变量槽位取引用没有明确收益，反而允许调用方替换其静态类型。 |
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## 属性和数组元素 |
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普通对象属性及静态属性必须通过 Zend 属性 API 取得 `php::Ref`。Typed |
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Property 创建 reference 时，Zend 会把 `zend_property_info` 附加为 type |
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source，后续写入仍受属性声明类型约束。不能把属性读成临时值后再创建引用， |
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否则会丢失该 type source。 |
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PHP 数组元素是动态 `zval` 槽位，引用统一使用 `php::Ref`。数组元素也可能与 |
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Typed Property 共享同一个 `zend_reference`，因此桥接层必须保留原始 reference， |
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不得复制或解除引用。 |
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当 typed-ref 参数接收属性或数组元素时，由 `php::RefWrap<T>` 在栈上把 |
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`php::Ref` 转成 `T&`： |
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```cpp |
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php::Ref property = /* attrRef() */; |
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php::RefWrap<php::Str> bridge(property); |
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php_update_name(bridge.typed()); |
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``` |
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构造时必须验证当前值类型。`Int/Float` 可以直接引用 reference 内部 `zval` |
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payload；`Str/Array` 使用安全的 indirect wrapper，使原生函数的每次写入仍作用于 |
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原始槽位。Zend 的 `bool` 只编码为 `IS_TRUE/IS_FALSE` 类型标签，并不存在可取地址 |
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的 `bool` payload，因此 `Bool&` 必须使用栈上代理，并在本次调用结束时写回。 |
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typed-ref 函数只能写入 `T`，因此不会破坏属性类型。 |
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## typed-ref 转换为动态 PHP 引用 |
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动态函数、动态方法和 Closure 的引用签名在编译期不可确定。调用者显式使用 |
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`std::ref()` 时，`php::RefWrap<T>` 为 typed local 创建临时 `php::Ref`： |
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```cpp |
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php::Int value = 1; |
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php::RefWrap<php::Int> bridge(value); |
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php::call(callback, php::VarList{&bridge.ref()}); |
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bridge.commit(); |
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``` |
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`commit()` 必须检查动态调用后的 zval 仍与 `T` 一致，然后写回 typed local； |
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类型不一致时抛出统一的 TypeError。不能依赖一个可能抛异常的析构函数完成检查。 |
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桥接生命周期必须是“一次调用表达式”，不能是整个 PHP 语句。嵌套调用中，内层 |
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调用返回后，必须在求值外层调用的下一个实参之前完成 `commit()`： |
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```php |
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outer(dynamicCall(std::ref($value)), nextArgument()); |
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``` |
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这里 `dynamicCall()` 的写回必须先于 `nextArgument()`。因此不能用语句级 |
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`beforeStmtLines/afterStmtLines` 实现，而应把 wrapper、调用、成功写回和异常写回 |
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统一放入一个立即执行的表达式 helper/lambda 中。多个 typed-ref 实参若指向同一变量， |
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必须复用同一个 bridge，不能创建内容互相覆盖的临时 reference。 |
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调用抛出异常时，桥接层仍要按 PHP 的可观察语义处理已经发生的引用修改。生成代码 |
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必须在重新抛出原异常前执行非破坏性的写回；若写回又发现类型错误，以类型错误替换 |
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或链接到原异常的具体策略应由一个 PHPX helper 统一实现，不能在每个调用点复制 |
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Zend 异常处理代码。 |
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### `RefWrap` 的两种方向 |
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`RefWrap<T>` 有两种互斥状态： |
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1. `T& -> php::Ref`：为动态调用创建临时 Zend reference，调用结束后验证并写回； |
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2. `php::Ref -> T&`：为静态 typed-ref 参数提供原生引用视图。 |
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建议内部状态明确表示为 `NativeToZend`、`ConstrainedZendToNative`、 |
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`DynamicZendToNative`，禁止用若干松散布尔值组合隐含方向。 |
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| `T` | `php::Ref -> T&` 实现 | 是否需要写回代理 | |
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| --- | --- | --- | |
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| `Int` | 直接指向 `Z_LVAL_P(refval)` | 否 | |
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| `Float` | 直接指向 `Z_DVAL_P(refval)` | 否 | |
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| `Bool` | 栈上 `Bool` 代理 | 是 | |
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| `Str` | 指向 refval 的 indirect `Str` | 否 | |
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| `Array` | 指向 refval 的 indirect `Array` | 否 | |
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`Bool` 不能直接映射的原因来自 Zend ABI：布尔值由 zval 的 `IS_TRUE/IS_FALSE` |
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类型标签表达，没有独立的 `bool` payload。 |
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“存在可寻址 payload”不代表任何 reference 都可以无条件直连。普通 PHP reference |
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可能还有其他动态别名；typed 函数内部若发生重入调用，动态代码可能把同一个 refval |
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改成其他类型。随后继续通过 `Int&/Float&` 访问已经不再活动的 union member 是不安全的。 |
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因此 `php::Ref -> T&` 分成两种安全级别： |
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- reference 带有与 `T` 一致的 Zend typed-property type source：Zend 会阻止重入代码 |
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改变类型，`Int/Float/Str/Array` 可以直接映射； |
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- 普通无 type source 的 reference：必须使用隔离代理。调用结束时比较原始 reference |
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与入口快照，检测重入别名修改；出现双方同时修改的冲突时抛出明确错误，不能静默覆盖。 |
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`Bool` 在两种情况下都使用代理。直接映射前必须检查 reference 的全部 type sources， |
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不能仅凭当前 `Z_TYPE` 推断其以后不会改变。 |
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### 调用表达式边界 |
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C++17 对普通函数参数只保证参数之间不会交错求值，不保证从左到右： |
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```cpp |
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outer(first(), second()); // first/second 谁先执行未指定 |
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``` |
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而 braced initializer list 保证从左到右。TypePHP 固定参数容器已经使用 |
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`php::VarList{...}`，typed-ref bridge 必须继续保留这一性质。实测 GCC 会先执行上述 |
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示例的第二个参数，不能依赖某个编译器当前的选择。 |
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临时对象通常在包含它的 full-expression 结束时析构。若把 `RefWrap` 临时对象直接 |
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放入外层调用参数，它可能直到外层调用返回后才析构。正确结构是让每个需要桥接的 |
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内层调用拥有独立的立即执行作用域： |
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```cpp |
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auto result = [&]() { |
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php::RefWrap<php::Int> bridge(value); |
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try { |
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auto retval = dynamic_call(bridge.ref()); |
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bridge.commit(); |
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return retval; |
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} catch (zend_object *) { |
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bridge.commitAfterException(); |
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throw; |
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} |
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}(); |
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``` |
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这里 `commit()` 和 `bridge` 析构都发生在 lambda 产生结果之前。外层 |
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`VarList{inner(), next()}` 才能保证 `inner()` 写回先于 `next()`。 |
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### 异常路径 |
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动态调用在修改引用后抛出异常时，PHP 会保留已经发生的修改。桥接也必须在重新抛出 |
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原异常之前写回类型兼容的值： |
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```php |
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function mutateThenThrow(int &$value): never |
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{ |
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$value = 99; |
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throw new RuntimeException(); |
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} |
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``` |
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若临时 reference 被改成不兼容类型，则不能写入固定存储。无异常返回时抛出 TypeError； |
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已有异常正在传播时，bridge 保留原异常并丢弃不兼容写回，避免在异常展开期间再次抛出 |
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C++ 异常。这个规则必须集中在 helper 中，析构函数始终保持 `noexcept`。 |
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### 别名与逃逸 |
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同一次动态调用中，如果两个实参最终拥有相同引用根，必须复用一个 `RefWrap`： |
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```php |
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$b =& $a; |
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$d =& $b; |
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$callback(std::ref($b), std::ref($d)); |
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``` |
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否则两个临时 reference 会各自保存一份值，提交顺序将覆盖修改，也破坏 PHP 的别名 |
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身份。编译器应按 `typedRefRoots` 对 bridge 去重。 |
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动态 PHP 代码还可能把引用保存到全局、对象属性或 Closure 中，使其超过本次调用。 |
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栈上 native storage 无法安全支持这种逃逸。`RefWrap` 应在调用返回时检测临时 |
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`zend_reference` 是否出现额外持有者；检测到逃逸时抛出明确错误。该限制保证不会把 |
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已经失效的 C++ 地址暴露给 ZendVM。需要长期 PHP 引用身份的变量必须从一开始使用 |
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`std::any()`/`php::Ref`。 |
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## 局部引用约束 |
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固定局部变量之间的一次性引用绑定可生成 C++ 引用： |
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```php |
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$source = 1; |
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$alias =& $source; |
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``` |
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引用传播遵循 PHP 的值/引用上下文区别： |
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```php |
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$a = 100; |
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$b =& $a; // $b: INT_REF，引用 $a |
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$c = $b; // $c: INT，按值复制并解除引用 |
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$d =& $b; // $d: INT_REF，与 $b 一样引用 $a |
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因此，对 typed-ref 再取引用仍得到同一目标的 typed-ref；typed-ref 出现在普通赋值 |
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右侧或普通值参数位置时必须物化为值。移动/last-use 优化不得消费 typed-ref 所指向的 |
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原变量，尤其不能对 `Str&`、`Array&` 生成 `takeValue()` 或 `std::move()`。 |
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### typed-ref 普通赋值 |
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普通赋值修改引用目标，不会重新绑定引用： |
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```php |
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$a = 100; |
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$intRef =& $a; |
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$intRef = 101; // 修改 $a |
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$intRef = '100'; // 编译期错误 |
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检查规则如下： |
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- RHS 类型已知且不满足引用目标类型：TypePHP 编译期 fatal error； |
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- RHS 类型已知且兼容：按目标值类型生成赋值； |
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- RHS 为 `VAR/REF`，无法静态确定：只求值一次，执行运行时严格类型检查后赋值； |
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- 禁止让不兼容表达式穿透到 C++ 编译阶段形成难以理解的运算符/模板错误。 |
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`$c = $intRef` 属于值上下文，`$c` 推导为 `INT`；`$d =& $intRef` 属于引用上下文， |
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`$d` 推导为 `INT_REF` 并继承相同引用根。 |
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由于 C++ 引用不能重新绑定，初版作如下限制： |
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- typed-ref 只允许在两个函数局部变量之间建立；LHS 必须是尚未声明的新变量，RHS |
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必须是已经存在的固定值 local 或 typed-ref； |
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- typed-ref 必须在编译器可证明的单一绑定点创建； |
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- 禁止在分支、循环中首次绑定 typed-ref； |
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- 禁止把已有 typed-ref 重新绑定到另一个变量； |
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- 禁止 `unset()` typed-ref； |
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- 当一个 fixed local 已成为其他 typed-ref 的引用根时，也禁止 `unset()` 或把该根 |
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重新绑定为另一个引用； |
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- `$array[] =& $typedLocal`、`$object->prop =& $typedLocal`、`global/static` 等会让引用 |
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超过 native local 生命周期的写法一律禁止； |
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- `$alias =& $object->typedProperty`、`$alias =& $array[$key]` 继续产生动态 `REF`， |
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不产生长期持有 `RefWrap` 的 C++ 引用； |
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- 禁止返回指向函数局部存储的 typed-ref； |
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- 禁止 Closure 按引用捕获 typed local，因为 Closure 可能超过栈帧生命周期； |
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- 参数 typed-ref 可以继续传给静态可解析的 typed-ref 参数。 |
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Generator、可挂起 Fiber 回调以及任何可能超过调用者栈帧的执行体，不得持有指向调用者 |
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native local 的 `T&`。初版应禁止这些函数使用 typed-ref 参数，而不是尝试推断实际 |
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挂起路径。 |
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返回引用暂不使用 `T&` ABI。对象属性、静态属性和数组元素的返回引用需要保留 Zend |
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reference/type source；局部 `T&` 又不能安全逃出当前栈帧。因此 `function &name()` |
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继续返回 `php::Ref`，并禁止返回 typed local/typed-ref 参数形成的临时 bridge。 |
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无法证明稳定绑定时，用户必须显式使用 `std::any()` 选择动态 `php::Ref` 语义。 |
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## 不变量 |
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实现与优化器必须共同保持以下不变量： |
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1. **固定类型不变**：typed-ref 的目标在整个生命周期内始终是同一个 C++ 类型； |
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2. **绑定不变**：一个 C++ reference 构造后永不重新绑定； |
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3. **根唯一**：引用链被压缩到唯一 root，同一次调用中一个 root 只创建一个 bridge； |
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4. **只求值一次**：属性 receiver、数组 key、动态 callable 和每个参数表达式都不得重复求值； |
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5. **PHP 求值顺序**：参数及嵌套调用按照 PHP 的从左到右可观察顺序完成； |
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6. **调用级提交**：bridge 在本次调用完成后、下一个表达式开始前提交； |
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7. **不逃逸**：指向 native stack storage 的 Zend reference 不得在调用结束后存活； |
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8. **析构不抛异常**：所有失败通过显式 `commit()`/调用 helper 报告； |
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9. **值上下文解除引用**：普通赋值、按值参数、返回值和数组插入必须取得值快照； |
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10. **优化不得消费 root**：last-use、move、multi-return 和参数转发不得移动 typed-ref 的目标。 |
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任何无法证明这些不变量的路径都应退回动态 `REF/VAR`（仅在源程序已经选择动态存储时）， |
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或给出 TypePHP fatal error；不得生成“可能正确”的 C++。 |
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## 语法到存储的决策表 |
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| PHP 写法 | 结果 | |
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| 新 local `$b =& $a`，`$a` 是五种 fixed local | 对应的 `*_REF`，C++ `T&` | |
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| 新 local `$d =& $b`，`$b` 是 typed-ref | 相同 `*_REF`，引用根继承自 `$b` | |
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| `$c = $b`，`$b` 是 typed-ref | 对应值类型，按值复制 | |
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| `$b = $value`，`$b` 是 typed-ref | 检查后写入 root，不重新绑定 | |
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| `$b =& $other`，`$b` 已存在 | fatal error | |
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| `$b =& $property` / `$b =& $array[$key]` | 动态 `php::Ref` | |
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| `$property =& $typedLocal` / `$array[] =& $typedLocal` | fatal error，禁止 native 引用逃逸 | |
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| 精确 `int/string/float/bool/array &$arg` | native ABI `T&` | |
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| nullable/union/mixed/untyped/defaulted/variadic `&$arg` | Zend ABI `php::Ref` | |
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| object/resource/stream/container/typed-object `&$arg` | fatal error | |
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| 动态调用 `std::ref($typedLocal)` | 调用级 `RefWrap<T>` | |
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| 动态调用 `std::ref($property/arrayItem)` | 直接传原始 Zend reference | |
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## 调用分类 |
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| 实参 | 静态 typed-ref 调用 | 动态调用/Closure | |
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| typed local | 直接传 `T&` | `RefWrap<T>`，要求显式 `std::ref()` | |
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| typed-ref local/parameter | 直接传 `T&` | `RefWrap<T>`，要求显式 `std::ref()` | |
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| Typed Property | `Ref` → `RefWrap<T>::typed()` | 直接传原始 `php::Ref` | |
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| PHP 数组元素 | `Ref` → `RefWrap<T>::typed()` | 直接传原始 `php::Ref` | |
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| `php::Var/php::Ref` | 运行时校验后经 `RefWrap<T>` | 直接传 `php::Ref` | |
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## 性能模型 |
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不能把正确性建立在“GCC 可能优化掉”之上。生成结构本身应让常见静态路径保持零成本， |
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编译器优化只负责消除栈对象和内联 helper。 |
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| 路径 | 额外堆分配 | 预期开销 | |
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| typed local -> TypePHP typed-ref 参数 | 0 | 直接 `T&`，与普通 C++ 调用一致 | |
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| typed-ref local/参数 -> TypePHP typed-ref 参数 | 0 | 直接转发相同 `T&` | |
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| local typed alias | 0 | C++ reference，优化后通常不占独立存储 | |
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| 已存在 Zend reference -> typed-ref | 0 | 栈上 wrapper/代理和引用计数操作 | |
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| property/array item 首次变成 Zend reference | 通常 1 | Zend 建立 `zend_reference`，PHP 自身也需要 | |
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| typed local -> 动态 Zend 引用调用 | 每个引用根通常 1 | 必须构造真实 `zend_reference`，明确慢路径 | |
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最后一项不能用栈上的伪造 `zend_reference` 替代。ZendVM、用户函数或扩展可能增加 |
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引用计数并暂存该 reference；把 refcounted 对象放在 C++ 栈上会产生释放非法地址或悬空 |
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引用。该分配只在用户显式 `std::ref($typedLocal)` 进入动态调用时发生，不得污染普通调用。 |
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### 生成代码约束 |
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- `RefWrap` 是 header-only、非虚类，不使用 `std::function`、`std::vector` 或 type erasure； |
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- wrapper、tuple/array 与立即执行 lambda 只使用栈存储； |
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- 同一调用按引用根去重，避免重复建立 `zend_reference`； |
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- 成功主路径不创建错误消息或临时字符串，异常检查放入 `UNEXPECTED` 冷分支； |
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- 不在循环或函数级缓存临时 Zend reference，避免引用身份错误和逃逸； |
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- 普通静态 typed-ref 调用不得生成方向判断、commit 或 refcount 操作； |
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- `Bool` 代理只用于 Zend bridge，native `Bool& -> Bool&` 仍是直接调用。 |
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### 验证标准 |
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重构完成后不仅运行功能测试，还要检查生成物： |
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1. 对纯 native typed-ref micro benchmark 生成 `-O3 -S` 汇编，确认 wrapper 和 lambda |
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不存在、调用可正常 inline； |
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2. 统计静态调用循环的 `malloc/emalloc` 次数，必须为 0； |
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3. 分别 benchmark `Int/Float/Bool/Str/Array` 的直接调用、property/array bridge 和动态 |
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`std::ref()`； |
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4. 比较 `-O0` 生成 C++ 的尺寸，避免每个调用点展开大段异常处理；公共慢路径放在 PHPX |
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非模板 helper 中； |
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5. 使用 ASan/Valgrind 验证异常、逃逸检测和多别名调用没有泄漏或悬空引用。 |
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目标不是让动态 Zend bridge 等同于直接 C++ 调用，而是保证零成本静态主路径，并把不可 |
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避免的装箱和堆分配限制在用户显式选择的动态边界。 |
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## 实施顺序 |
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1. 增加五种类型及类型帮助函数，但暂不改变生成代码； |
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2. 将明确类型的引用参数 ABI 改为 `T&`，补齐 wrapper 入口； |
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3. 支持 typed local 的静态直接调用； |
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4. 实现属性、静态属性、数组元素到 `T&` 的 `RefWrap`； |
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5. 实现 typed local 到动态 `php::Ref` 的 `RefWrap` 与异常安全写回； |
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6. 最后支持受限的一次性局部 alias，并让 SSA/控制流检查拒绝重绑定。 |
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每一步都必须同时覆盖命名函数、方法、构造函数、named arguments、静态调用、 |
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动态调用、Closure、异常路径，以及实例/静态 Typed Property 和数组元素。 |
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## PHP 8.5 与 C++17 验证结果 |
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实际探针得到以下结论： |
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- PHP 按从左到右顺序求值调用参数；内层引用调用的修改在下一个参数求值前可见； |
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- 引用调用修改值后再抛异常，修改仍然保留； |
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- `$a/$b/$d` 在 `$b =& $a; $d =& $b` 后拥有相同的 `ReflectionReference` ID； |
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- `$c = $b` 得到独立值，后续修改 `$c` 不影响 `$a/$b/$d`； |
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- PHP 严格模式允许把普通 `int` 变量传给 `float&`，并把调用方变量改成 `float`。 |
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这与固定 `Int` 存储冲突，TypePHP typed-ref 应拒绝这种跨类型引用转换； |
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- Typed Property 创建的 reference 保留类型约束，不兼容写入立即抛出 TypeError； |
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- C++17 普通参数顺序未指定；列表初始化从左到右；放在外层参数中的临时 bridge |
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可能直到外层函数返回后才析构； |
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- zval 的 `Int/Float` 有可寻址 payload，`Bool` 没有。 |
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