PHP FFI详解 - 一种全新的PHP扩展方式

随着PHP7.4而来的有一个我认为非常有用的一个扩展:PHP FFI(Foreign Function interface), 引用一段PHP FFI RFC中的一段描述:

For PHP, FFI opens a way to write PHP extensions and bindings to C libraries in pure PHP.

是的，FFI提供了高级语言直接的互相调用，而对于PHP来说，FFI让我们可以方便的调用C语言写的各种库。

其实现有大量的PHP扩展是对一些已有的C库的包装，比如常用的mysqli, curl, gettext等，PECL中也有大量的类似扩展。

传统的方式，当我们需要用一些已有的C语言的库的能力的时候，我们需要用C语言写wrapper，把他们包装成扩展，这个过程中就需要大家去学习PHP的扩展怎么写，当然现在也有一些方便的方式，比如Zephir. 但总还是有一些学习成本的，而有了FFI以后，我们就可以直接在PHP脚本中调用C语言写的库中的函数了。

而C语言几十年的历史中，积累了大量的优秀的库，FFI直接让我们可以方便的享受这个庞大的资源了。

言归正传，今天我用一个例子来介绍，我们如何使用PHP来调用libcurl，来抓取一个网页的内容，为什么要用libcurl呢？ PHP不是已经有了curl扩展了么？ 嗯，首先因为libcurl的api我比较熟，其次呢，正是因为有了，才好对比，传统扩展方式和FFI方式直接的易用性不是？

首先，比如我们就拿当前你看的这篇文章为例，我现在需要写一段代码来抓取它的内容，如果用传统的PHP的curl扩展，我们大概会这么写:

<?php

$url = "https://www.laruence.com/2020/03/11/5475.html";
$ch = curl_init();

curl_setopt($ch, CURLOPT_URL, $url);
curl_setopt($ch, CURLOPT_SSL_VERIFYPEER, 0);

curl_exec($ch);

curl_close($ch);

(因为我的网站是https的，所以会多一个设置SSL_VERIFYPEER的操作)那如果是用FFI呢?

首先要启用PHP7.4的ext/ffi，需要注意的是PHP-FFI要求libffi-3以上。

然后，我们需要告诉PHP FFI我们要调用的函数原型是咋样的，这个我们可以使用FFI::cdef, 它的原型是:

FFI::cdef([string $cdef = "" [, string $lib = null]]): FFI

在string $cdef中，我们可以写C语言函数式申明，FFI会parse它，了解到我们要在string $lib这个库中调用的函数的签名是啥样的，在这个例子中，我们用到三个libcurl的函数，它们的申明我们都可以在libcurl的文档里找到，比如对于curl_easy_init.

具体到这个例子，我们写一个curl.php, 包含所有要申明的东西，代码如下:

$libcurl = FFI::cdef(<<<CTYPE
void *curl_easy_init();
int curl_easy_setopt(void *curl, int option, ...);
int curl_easy_perform(void *curl);
void curl_easy_cleanup(void *handle);
CTYPE
 , "libcurl.so"
 );

这里有个地方是，文档中写的是返回值是CURL *，但事实上因为我们的例子中不会解引用它，只是传递，那就避免麻烦就用void *代替。

然而还有个麻烦的事情是，PHP预定义好了CURLOPT_等option的值，但现在我们需要自己定义，简单的办法就是查看curl的头文件，找到对应的值，然后我们把值给加进去:

<?php
const CURLOPT_URL = 10002;
const CURLOPT_SSL_VERIFYPEER = 64;

$libcurl = FFI::cdef(<<<CTYPE
void *curl_easy_init();
int curl_easy_setopt(void *curl, int option, ...);
int curl_easy_perform(void *curl);
void curl_easy_cleanup(void *handle);
CTYPE
 , "libcurl.so"
 );

好了，定义部分就算完成了，现在我们完成实际逻辑部分，整个下来的代码会是:

<?php
require "curl.php";

$url = "https://www.laruence.com/2020/03/11/5475.html";

$ch = $libcurl->curl_easy_init();
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_URL, $url);
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_SSL_VERIFYPEER, 0);

$libcurl->curl_easy_perform($ch);

$libcurl->curl_easy_cleanup($ch);

怎么样，相比使用curl扩展的方式, 是不是一样简练呢?

接下来，我们稍微弄的复杂一点，也即使，如果我们不想要结果直接输出，而是返回成一个字符串呢， 对于PHP的curl扩展来说，我们只需要调用curl_setop 把CURLOPT_RETURNTRANSFER为1，但在libcurl中其实并没有直接返回字符串的能力，而是提供了一个WRITEFUNCTION的回调函数，在有数据返回的时候，libcurl会调用这个函数, 事实上PHP curl扩展也是这么做的.

目前我们并不能直接把一个PHP函数作为回调函数通过FFI传递给libcurl, 那我们会有俩种方式来做:

1. 采用WRITEDATA, 默认的libcurl会调用fwrite作为回调函数，而我们可以通过WRITEDATA给libcurl一个fd，让它不要写入stdout，而是写入到这个fd
2. 我们自己编写一个C的简单函数，通过FFI引入进来，传递给libcurl.

我们先用第一种方式，首先我们需要使用fopen，这次我们通过定义个C的头文件来申明原型(file.h)：

void *fopen(char *filename, char *mode);
void fclose(void * fp);

像file.h一样，我们把所有的libcurl的函数申明也放到curl.h中去

#define FFI_LIB "libcurl.so"

void *curl_easy_init();
int curl_easy_setopt(void *curl, int option, ...);
int curl_easy_perform(void *curl);
void curl_easy_cleanup(CURL *handle);

然后我们就可以使用FFI::load来加载.h文件：

static function load(string $filename): FFI;

但是怎么告诉FFI加载那个对应的库呢？如上面，我们通过定义了一个FFI_LIB的宏，来告诉FFI这些函数来自libcurl.so, 当我们用FFI::load加载这个h文件的时候，PHP FFI就会自动载入libcurl.so

那为什么fopen不需要指定加载库呢，那是因为FFI也会在全局符号表中查找符号，而fopen是一个标准库函数，它早就存在了。

好，现在整个代码会是:

<?php
const CURLOPT_URL = 10002;
const CURLOPT_SSL_VERIFYPEER = 64;
const CURLOPT_WRITEDATA = 10001;

$libc = FFI::load("file.h");
$libcurl = FFI::load("curl.h");

$url = "https://www.laruence.com/2020/03/11/5475.html";
$tmpfile = "/tmp/tmpfile.out";

$ch = $libcurl->curl_easy_init();
$fp = $libc->fopen($tmpfile, "a");

$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_URL, $url);
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_SSL_VERIFYPEER, 0);
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_WRITEDATA, $fp);
$libcurl->curl_easy_perform($ch);

$libcurl->curl_easy_cleanup($ch);

$libc->fclose($fp);

$ret = file_get_contents($tmpfile);
@unlink($tmpfile);

但这种方式呢就是需要一个临时的中转文件，还是不够优雅， 现在我们用第二种方式，要用第二种方式，我们需要自己用C写一个回调函数传递给libcurl:

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "write.h"

size_t own_writefunc(void *ptr, size_t size, size_t nmember, void *data) {
        own_write_data *d = (own_write_data*)data;
        size_t total = size * nmember;

        if (d->buf == NULL) {
                d->buf = malloc(total);
                if (d->buf == NULL) {
                        return 0;
                }
                d->size = total;
                memcpy(d->buf, ptr, total);
        } else {
                d->buf = realloc(d->buf, d->size + total);
                if (d->buf == NULL) {
                        return 0;
                }
                memcpy(d->buf + d->size, ptr, total);
                d->size += total;
        }

        return total;
}

void * init() {
        return &own_writefunc;
}

最后我们定义上面用到的头文件write.h:

#define FFI_LIB "write.so"

typedef struct _writedata {
        void *buf;
        size_t size;
} own_write_data;

void *init();

注意到我们在头文件中也定义了FFI_LIB, 这样这个头文件就可以同时被write.c和接下来我们的PHP FFI共同使用了。

然后我们编译write函数为一个动态库:

gcc -O2 -fPIC -shared  -g  write.c -o write.so

好了， 现在整个的代码会变成:

<?php
const CURLOPT_URL = 10002;
const CURLOPT_SSL_VERIFYPEER = 64;
const CURLOPT_WRITEDATA = 10001;
const CURLOPT_WRITEFUNCTION = 20011;

$libcurl = FFI::load("curl.h");
$write  = FFI::load("write.h");

$url = "https://www.laruence.com/2020/03/11/5475.html";

$data = $write->new("own_write_data");

$ch = $libcurl->curl_easy_init();

$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_URL, $url);
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_SSL_VERIFYPEER, 0);
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_WRITEDATA, FFI::addr($data));
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_WRITEFUNCTION, $write->init());
$libcurl->curl_easy_perform($ch);

$libcurl->curl_easy_cleanup($ch);

ret = FFI::string($data->buf, $data->size);

此处， 我们使用FFI::new ($write->new)来分配了一个struct _write_data的内存:

function FFI::new(mixed $type [, bool $own = true [, bool $persistent = false]]): FFI\CData

$own表示这个内存管理是否采用PHP的内存管理，默认的情况下，我们申请的内存会经过PHP的生命周期管理，不需要主动释放，但是有的时候你也可能希望自己管理，那么可以设置$own为flase，那么在适当的时候，你需要调用FFI::free去主动释放。

然后我们把$data作为WRITEDATA传递给libcurl, 此处我们使用了FFI::addr来获取$data的实际内存地址:

static function addr(FFI\CData $cdata): FFI\CData;

然后我们把own_write_func作为WRITEFUNCTION传递给了libcurl，这样再有返回的时候，libcurl就会调用我们的own_write_func来处理返回，同时会把write_data作为自定义参数传给我们的回调函数。

最后我们使用了FFI::string来把一段内存转换成PHP的string:

static function FFI::string(FFI\CData $src [, int $size]): string

当不提供$size的时候，FFI::string会在遇到Null-byte的时候停止。

好了，跑一下吧？

然而毕竟直接在PHP中每次请求都加载so的话，会是一个很大的性能问题，所以我们也可以采用preload的方式，这种模式下， 我们通过opcache.preload来在PHP启动的时候就加载好:

ffi.enable=1
opcache.preload=ffi_preload.inc

ffi_preload.inc:

<?php
FFI::load("curl.h");
FFI::load("write.h");

但我们引用载入的FFI呢？ 为此我们需要修改一下这俩个.h头文件，加入FFI_SCOPE, 比如curl.h：

#define FFI_LIB "libcurl.so"
#define FFI_SCOPE "libcurl"

void *curl_easy_init();
int curl_easy_setopt(void *curl, int option, ...);
int curl_easy_perform(void *curl);
void curl_easy_cleanup(void *handle);

对应的我们给write.h也加入FFI_SCOPE为"write", 然后我们的脚本现在看起来应该是这样:

<?php
const CURLOPT_URL = 10002;
const CURLOPT_SSL_VERIFYPEER = 64;
const CURLOPT_WRITEDATA = 10001;
const CURLOPT_WRITEFUNCTION = 20011;

$libcurl = FFI::scope("libcurl");
$write  = FFI::scope("write");

$url = "https://www.laruence.com/2020/03/11/5475.html";

$data = $write->new("own_write_data");

$ch = $libcurl->curl_easy_init();

$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_URL, $url);
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_SSL_VERIFYPEER, 0);
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_WRITEDATA, FFI::addr($data));
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT_WRITEFUNCTION, $write->init());
$libcurl->curl_easy_perform($ch);

$libcurl->curl_easy_cleanup($ch);

ret = FFI::string($data->buf, $data->size);

也就是，我们现在使用FFI::scope来代替FFI::load，引用对应的函数。

static function scope(string $name): FFI;

然后还有另外一个问题，FFI虽然给了我们很大的灵活性，但是毕竟直接调用C库函数，还是非常具有风险性的，我们应该只容许用户调用我们确认过的函数，于是，ffi.enable=preload就该上场了，当我们设置ffi.enable=preload的话，那就只有在opcache.preload的脚本中的函数才能调用FFI，而用户写的函数是没有办法直接调用的。

我们稍微修改下ffi_preload.inc变成ffi_safe_preload.inc

<?php
class CURLOPT {
	const URL = 10002;
	const SSL_VERIFYHOST = 81;
	const SSL_VERIFYPEER = 64;
	const WRITEDATA = 10001;
	const WRITEFUNCTION = 20011;
}

FFI::load("curl.h");
FFI::load("write.h");

function get_libcurl() : FFI {
	return FFI::scope("libcurl");
}

function get_write_data($write) : FFI\CData {
	return $write->new("own_write_data");
}

function get_write() : FFI {
	return FFI::scope("write");
}

function get_data_addr($data) : FFI\CData {
	return FFI::addr($data);
}

function paser_libcurl_ret($data) :string{
	return FFI::string($data->buf, $data->size);
}

也就是，我们把所有会调用FFI API的函数都定义在preload脚本中，然后我们的例子会变成(ffi_safe.php):

<?php
$libcurl = get_libcurl();
$write  =  get_write();
$data = get_write_data($write);

$url = "https://www.laruence.com/2020/03/11/5475.html";


$ch = $libcurl->curl_easy_init();

$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT::URL, $url);
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT::SSL_VERIFYPEER, 0);
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT::WRITEDATA, get_data_addr($data));
$libcurl->curl_easy_setopt($ch, CURLOPT::WRITEFUNCTION, $write->init());
$libcurl->curl_easy_perform($ch);

$libcurl->curl_easy_cleanup($ch);

$ret = paser_libcurl_ret($data);

这样一来通过ffi.enable=preload, 我们就可以限制，所有的FFI API只能被我们可控制的preload脚本调用，用户不能直接调用。从而我们可以在这些函数内做好尽可能的安全保证工作，从而保证一定的安全性。

好了，经过这个例子，大家应该对FFI有了一个比较深入的理解了，详细的PHP API说明，大家可以参考:PHP-FFI Manual, 有兴趣的话，就去找一个C库，试试吧？

本文的例子，你可以在我的github上下载到:FFI example

最后还是多说一句，例子只是为了演示功能，所以省掉了很多错误分支的判断捕获，大家自己写的时候还是要加入。毕竟使用FFI的话，会让你会有1000种方式让PHP segfault crash，所以be careful 🙂