PHP5底层原理之垃圾回收机制

概念

垃圾回收机制 是一种内存动态分配的方案，它会自动释放程序不再使用的已分配的内存块。

垃圾回收机制 可以让程序员不必过分关心程序内存分配，从而将更多的精力投入到业务逻辑。

与之相关的一个概念，内存泄露 指的是程序未能释放那些已经不再使用的内存，造成内存的浪费。

那么 PHP 是如何实现垃圾回收机制的呢？

PHP变量的内部存储结构

首先还是需要了解下 基础知识，便于对垃圾回收原理内容的理解。

PHP 所有类型的变量在底层都会以 zval 结构体 的形式实现 (源码文件Zend/zend.h)

源码根目录搜索

grep -rin --color --include=*.h --include=*.c _zval_struct *

struct _zval_struct {
    /* Variable information */
    zvalue_value value;     /* 变量value值 */
    zend_uint refcount__gc; /* 引用计数内存中使用次数，为0删除该变量 */
    zend_uchar type;    /* 变量类型 */
    zend_uchar is_ref__gc; /* 区分是否是引用变量，是引用为1，否则为0 */
};

注：上面 zval 结构体是 php5.3 版本之后的结构，php5.3 之前因为没有引入新的垃圾回收机制，即 GC，所以命名也没有_gc；而 php7 版本之后由于性能问题所以改写了 zval 结构，这里不再表述。

引用计数原理

变量容器

每个 PHP 变量存于一个叫 zval 的变量容器中。创建变量容器时，变量容器的 ref_count 初始值为 1， 每次被变量使用后，ref_count + 1 。当删除变量时(unset( ))，则它指向的变量容器的 ref_count - 1 。

非 array 和 object 变量

每次将常量赋值给一个变量时，都会产生 一个 变量容器

举例：

$a = 'new string';
xdebug_debug_zval('a');

结果会输出：

a:(refcount=1, is_ref=0),string 'new string' (length=10)

array 和 object 变量

每次将常量赋值给一个变量时，都会产生 元素个数 +1 个 变量容器

举例：

$b = [
    'name' => 'new string',
    'number' => 12
];
xdebug_debug_zval('b');

结果会输出：

b:
(refcount=1, is_ref=0),
array (size=2)
  'name' => (refcount=1, is_ref=0),string 'new string' (length=10)
  'number' => (refcount=1, is_ref=0),int 12

赋值原理

写时复制原理

php 在设计的时候，为了节省内存，所以在变量之间赋值时，对于值相同的两个变量，会共用一块内存，也就是会在 全局符号表 内将变量 b 的变量指针指向变量 a 指向的同一个 zval 结构体，而只有当其中一个变量的 zval 结构发生变化时，才会发生变量容器复制的内存变化，也因此叫做 写时复制原理。

写时复制原理 触发时机：

php在修改一个变量时，如果发现变量的 refcount > 1，则会执行变量容器的内存复制

举例：

// 创建一个变量容器，变量 a 指向给变量容器，a 的 ref_count 为 1
$a = ['name' => 'string','number' => 3];    

// 变量 b 也指向变量 a 指向的变量容器，a 和 b 的 ref_count 为 2
$b = $a;
xdebug_debug_zval('a', 'b');
echo '<hr/>'
// 变量 b 的其中一个元素发生改变，此时会复制出一个新的变量容器，变量 b 重新指向新的变量容器，a 和 b 的ref_count 变成 1
$b['name'] = 'new string';
xdebug_debug_zval('a', 'b');

结果输出：

a:(refcount=2, is_ref=0),
array (size=2)
  'name' => (refcount=1, is_ref=0),string 'string' (length=6)
  'number' => (refcount=1, is_ref=0),int 3
b:(refcount=2, is_ref=0),
array (size=2)
  'name' => (refcount=1, is_ref=0),string 'string' (length=6)
  'number' => (refcount=1, is_ref=0),int 3
________________________________________________________________________________________
a:(refcount=1, is_ref=0),
array (size=2)
  'name' => (refcount=1, is_ref=0),string 'string' (length=6)
  'number' => (refcount=2, is_ref=0),int 3
b:(refcount=1, is_ref=0),
array (size=2)
  'name' => (refcount=1, is_ref=0),string 'new string' (length=10)
  'number' => (refcount=2, is_ref=0),int 3

写时改变原理

上面说了普通赋值的情况，那么将引用赋值呢？

先通过举例说明

$a = ['name' => 'string','number' => 3];
$b = &$a;
xdebug_debug_zval("a", "b");

结果输出

a:(refcount=2, is_ref=1),
array (size=2)
  'name' => (refcount=1, is_ref=0),string 'string' (length=6)
  'number' => (refcount=1, is_ref=0),int 3
b:(refcount=2, is_ref=1),
array (size=2)
  'name' => (refcount=1, is_ref=0),string 'string' (length=6)
  'number' => (refcount=1, is_ref=0),int 3

此时，我们发现，变量 a 和 b 的 refcount 还是 2，只不过 is_ref 变成了 1，那是因为在将变量 a 引用赋值给变量b 时，在原变量容器上作了修改，将 is_ref 变成了 1，且 refcount + 1

那如果引用赋值的基础上又发生了变量的改变了呢？

$a = ['name' => 'string','number' => 3];
$b = &$a;
$b['name'] = "new string";
xdebug_debug_zval("a", "b");

结果输出：

a:(refcount=2, is_ref=1),
array (size=2)
  'name' => (refcount=1, is_ref=0),string 'new string' (length=10)
  'number' => (refcount=1, is_ref=0),int 3
b:(refcount=2, is_ref=1),
array (size=2)
  'name' => (refcount=1, is_ref=0),string 'new string' (length=10)
  'number' => (refcount=1, is_ref=0),int 3

神奇的事情发生了，变量 b 和变量 a 的值一起发生改变了，其实这是因为触发了写时改变原理。

写时改变原理 触发时机：
is_ref 为 1 的变量容器在被赋值之前，优先检查变量容器的 is_ref 是否等于 1 ，如果为 1，则不进行写时复制，而是在原变量容器基础上作内容修改；而如果将 is_ref 为 1 的变量容器赋值给其他变量时，则会立即触发 写时改变原理

现在将上面几个例子结合起来，又会是怎样的呢？

$a = ['name' => 'string','number' => 3];
$b = $a;
$c = &$a;
xdebug_debug_zval("a", "b", "c");

结果输出：

执行过程：

执行第一行：变量容器的 refcount 为 1

执行第二行：变量容器的 refcount 为 2，变量 a 和 变量 b 共享同一个变量容器

执行第三行：要将变量 a 引用赋值 给 变量 c，此时变量容器的 refcount > 1，如果要发生改变，会触发 写时复制，将变量 a 和 变量 b 分离，之后将变量 a 引用赋值给变量 c，则变量容器的 is_rel 变成 1，且 refcount 变成 2。

引用计数清 0

当变量容器的 ref_count 计数清 0 时，表示该变量容器就会被销毁，实现了内存回收。

这就是 PHP 5.3 版本之前的垃圾回收机制。

举例：

$a = "new string";
$b = $a;
xdebug_debug_zval('a');
unset($b);      // 删除了符号表中的变量名 b，同时它指向的变量容器 ref_count -1
xdebug_debug_zval('a');
xdebug_debug_zval('b');

结果输出：

a:(refcount=2, is_ref=0),string 'new string' (length=10)
a:(refcount=1, is_ref=0),string 'new string' (length=10)
b: no such symbol

循环引用引发的内存泄露问题

当我们添加一个 数组或对象 作为这个 数组或对象 的元素时，而如果此时删除了这个变量符号(unset)，此变量容器并不会被删除。因为其子元素还在指向该变量容器，但是由于所有作用域内没有任何符号指向这个变量容器，所以用户没有办法清除这个变量容器，结果就会导致内存泄露，直到该脚本执行结束被动清除这个变量容器。

举例：把数组作为一个元素添加到自己

$a = array( 'one' );
$a[] = &$a;
xdebug_debug_zval( 'a' );

会输出：

a:
(refcount=2, is_ref=1),
array (size=2)
  0 => (refcount=1, is_ref=0),string 'one' (length=3)
  1 => (refcount=2, is_ref=1),&array<

图示：

能看到数组变量 a 同时也是这个数组的第二个元素「1」指向的变量容器中 refcount 为 2。上面的输出结果中的 &array< 意味着指向原始数组。

跟刚刚一样，对一个变量调用 unset，将删除这个符号，且它指向的变量容器中的引用次数也减 1。所以，如果我们在执行完上面的代码后，对变量 a 调用 unset , 那么变量 ​ a 和数组元素 「1」所指向的变量容器的引用次数减 1, 从 2 变成了 1 . 下例可以说明:

unset($a);

图示：

如果上面的情况发生仅仅一两次倒没什么，但是如果出现几千次，甚至几十万次的内存泄漏，这显然是个大问题。这样的问题往往发生在长时间运行的脚本中，比如请求基本上不会结束的守护进程(deamons)或者单元测试中的大的套件(sets)中。

新的垃圾回收机制

PHP 5.3 版本之后引入 根缓冲机制，即 PHP 启动时默认设置指定 zval 数量的根缓冲区（默认是10000），当 PHP发现有存在 循环引用 的 zval 时，就会把其投入到根缓冲区，当根缓冲区达到配置文件中的指定数量（默认是10000）后，就会进行垃圾回收，以此解决循环引用导致的内存泄漏问题。

在 PHP 5.3 的 GC 中，针对垃圾做了如下说明：

1. 如果一个 zval 的 refcount 增加，那么此 zval 还在使用，肯定不是垃圾，不会进入缓冲区

2. 如果一个 zva l的 refcount 减少到 0， 那么 zval 会被立即释放掉，不属于 GC 要处理的垃圾对象，不会进入缓冲区。

3. 如果一个 zval 的 refcount 减少之后大于 0，那么此 zval 还不能被释放，此 zval 可能成为一个垃圾，将其放入缓冲区

垃圾回收算法

每当根缓冲区存满时，PHP 会对根缓冲区的所有变量容器遍历进行 模拟删除，然后进行 模拟恢复。但是 PHP 只会对进行模拟删除后 refcount > 0 的变量容器进行恢复，那么没有进行恢复的也就是 refcount = 0 的就是垃圾了。

总结

垃圾回收机制：
1、以 php 的引用计数机制为基础（ php5.3 以前只有该机制）
2、同时使用根缓冲区机制，当 php 发现有存在循环引用的 zval 时，就会把其投入到根缓冲区，当根缓冲区达到配置文件中的指定数量后，就会进行垃圾回收，以此解决循环引用导致的内存泄漏问题（ php5.3 开始引入该机制）

参考资料

PHP进阶学习之垃圾回收机制详解

php底层原理之垃圾回收机制

引用计数基本知识