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:
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
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。
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
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