PHP 垃圾回收与内存管理指引

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本文将要讲述 PHP 发展历程中的垃圾回收及内存管理相关内容，文末给出 PHP 发展在各个阶段有关内存管理及垃圾回收（内核）参考资料值得阅读。

引用计数

在 PHP 5.2 及之前的版本中，PHP 的垃圾回收采用的是 引用计数 算法。

引用计数基础知识

引用计数基础知识

php 的变量存储在「zval」变量容器（数据结构）中，「zval」属性包含以下信息：

• 当前变量的数据类型；
• 当前变量的值；
• 用于标识变量是否为引用传递的 is_ref 布尔类型标识；
• 指向该「zval」变量容器的变量个数的 refcount 标识符（即这个 zval 被引用的次数，注意这里的引用不是指引用传值，注意区分）。

当一个变量被赋值时，就会生成一个对应的「zavl」变量容器。

查看变量 zval 容器信息

要查看变量的「zval」容器信息（即查看变量的 is_ref 和 refcount），可使用 XDebug 调试工具的 xdebug_debug_zval() 函数。

安装 XDebug 扩展插件的方法能够查看 这个教程，有关XDebug 使用方法请阅读 官方文档。

假设，咱们已经成功安装好 XDebug 工具，如今就能够来对变量进行调试了。

• 查看普通变量的 zval 信息

若是咱们的 PHP 语句只是对变量进行简单赋值时，is_ref 标识值为 0，refcount 值为 1；若将这个变量做为值赋值给另外一个变量时，则增长 zval 变量容器的 refcount 计数；同理，销毁（unset）变量时，「refcount」相应的减去 1。

请看下面的示例：

<?php
// 变量赋值时，refcount 值等于 1
$name = 'liugongzi';
xdebug_debug_zval('name'); // (refcount=1, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9)

// $name 做为值赋值给另外一个变量， refcount 值增长 1
$copy = $name;
xdebug_debug_zval('name'); // (refcount=2, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9)

// 销毁变量，refcount 值减掉 1
unset($copy);
xdebug_debug_zval('name'); // (refcount=1, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9)

• 写时复制

写时复制（Copy On Write：COW），简单描述为：若是经过赋值的方式赋值给变量时不会申请新内存来存放新变量所保存的值，而是简单的经过一个计数器来共用内存，只有在其中的一个引用指向变量的值发生变化时，才申请新空间来保存值内容以减小对内存的占用。 - TPIP 写时复制

经过前面的简单变量的 zval 信息咱们知道 $copy 和 $name 共用 zval 变量容器（内存），而后经过 refcount 来表示当前这个 zval 被多少个变量使用。

看个实例：

<?php
$name = 'liugongzi';
xdebug_debug_zval('name'); // name: (refcount=1, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9)

$copy = $name;
xdebug_debug_zval('name'); // name: (refcount=2, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9)

// 将新的值赋值给变量 $copy
$copy = 'liugongzi handsome';
xdebug_debug_zval('name'); // name: (refcount=1, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9)
xdebug_debug_zval('copy'); // copy: (refcount=1, is_ref=0)='liugongzi handsome'

注意到没有，当将值 liugongzi handsome 赋值给变量 $copy 时，name 和 copy 的 refcount 值都变成了 1，在这个过程当中发生如下几个操做：

• 将 $copy 从 $name 的 zval（内从）中分离出来（即复制）；
• 将 $name 的 refcount 减去 1；
• 对 $copy 的 zval 进行修改（从新赋值和修改 refcount）；

这里只是简单对「写时复制」进行介绍，感兴趣的朋友能够阅读文末给出的参考资料进行更加深刻的研究。

• 查看引用传递变量的 zval 信息

引用传值（&）的「引用计数」规则同普通赋值语句同样，只是 is_ref 标识的值为 1 表示该变量是引用传值类型。

咱们如今来看看引用传值的示例：

<?php
$age = 'liugongzi';
xdebug_debug_zval('age'); // (refcount=1, is_ref=0)string 'liugongzi' (length=9)

$copy = &$age;
xdebug_debug_zval('age'); // (refcount=2, is_ref=1)string 'liugongzi' (length=9)

unset($copy);
xdebug_debug_zval('age'); // (refcount=1, is_ref=1)string 'liugongzi' (length=9)

• 复合类型的引用计数

与标量类型（整型、浮点型、布尔型等）不一样，数组（array）和对象（object）这种符合类型的引用计数规则会稍复杂一些。

为了更好的说明，仍是先看看数组的引用计数示例：

$a = array( 'meaning' => 'life', 'number' => 42 );
xdebug_debug_zval( 'a' );

// a:
// (refcount=1, is_ref=0)
// array (size=2)
//  'meaning' => (refcount=1, is_ref=0)string 'life' (length=4)
//  'number' => (refcount=1, is_ref=0)int 42

上面的引用计数示意图以下：

从图中咱们发现复合类型的引用计数规则基本上同标量的计数规则同样，就给出的示例来讲，PHP 会建立 3 个 zval 变量容器，一个用于存储数组自己，另外两个用于存储数组中的元素。

添加一个已经存在的元素到数组中时，它的引用计数器 refcount 会增长 1。

$a = array( 'meaning' => 'life', 'number' => 42 );
xdebug_debug_zval( 'a' );
$a['life'] = $a['meaning'];
xdebug_debug_zval( 'a' );

// a:
// (refcount=1, is_ref=0)
// array (size=3)
//  'meaning' => (refcount=2, is_ref=0)string 'life' (length=4)
//  'number' => (refcount=0, is_ref=0)int 42
//  'life' => (refcount=2, is_ref=0)string 'life' (length=4)

大体示意图以下：

。

• 内存泄露

虽然，复合类型的引用计数规则同标量类型大体相同，可是若是引用的值为变量自身（即循环应用），在处理不当时，就有可能会形成内存泄露的问题。

让咱们来看看下面这个对数组进行引用传值的示例：

<?php
// @link http://php.net/manual/zh/function.memory-get-usage.php#96280
function convert($size)
{
    $unit=array('b','kb','mb','gb','tb','pb');
    return @round($size/pow(1024,($i=floor(log($size,1024)))),2).' '.$unit[$i];
}

// 注意：有用的地方从这里开始
$memory = memory_get_usage();

$a = array( 'one' );

// 引用自身（循环引用）
$a[] =&$a;

xdebug_debug_zval( 'a' );

var_dump(convert(memory_get_usage() - $memory)); // 296 b

unset($a); // 删除变量 $a，因为 $a 中的元素引用了自身（循环引用）最终致使 $a 所使用的内存没法被回收

var_dump(convert(memory_get_usage() - $memory)); // 568 b

从内存占用结果上看，虽然咱们执行了 unset($a) 方法来销毁 $a 数组，但内存并无被回收，整个处理过程的示意图以下：

能够看到对于这块内存，再也没有符合表（变量）指向了，因此 PHP 没法完成内存回收，官方给出的解释以下：

尽管再也不有某个做用域中的任何符号指向这个结构 (就是变量容器)，因为数组元素 “1” 仍然指向数组自己，因此这个容器不能被清除 。由于没有另外的符号指向它，用户没有办法清除这个结构，结果就会致使内存泄漏。庆幸的是，php 将在脚本执行结束时清除这个数据结构，可是在 php 清除以前，将耗费很多内存。若是你要实现分析算法，或者要作其余像一个子元素指向它的父元素这样的事情，这种状况就会常常发生。固然，一样的状况也会发生在对象上，实际上对象更有可能出现这种状况，由于对象老是隐式的被引用。 - 摘自 官方文档 Cleanup Problems

简单来讲就是「引用计数」算法没法检测并释放循环引用所使用的内存，最终致使内存泄露。

引用计数系统的同步周期回收

因为引用计数算法存在没法回收循环应用致使的内存泄露问题，在 PHP 5.3 以后对内存回收的实现作了优化，经过采用 引用计数系统的同步周期回收 算法实现内存管理。引用计数系统的同步周期回收算法是一个改良版本的引用计数算法，它在引用基础上作出了以下几个方面的加强：

• 引入了可能根（possible root）的概念：经过引用计数相关学习，咱们知道若是一个变量（zval）被引用，要么是被全局符号表中的符号引用（即变量），要么被复杂类型（如数组）的 zval 中的符号（数组的元素）引用，那么这个 zval 变量容器就是「可能根」。
• 引入根缓冲区（root buffer）的概念：根缓冲区用于存放全部「可能根」，它是固定大小的，默承认存 10000 个可能根，如需修改能够经过修改 PHP 源码文件 Zend/zend_gc.c 中的常量 GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES，再从新编译。
• 回收周期：当缓冲区满时，对缓冲区中的全部可能根进行垃圾回收处理。

下图（来自 PHP 手册）,展现了新的回收算法执行过程：

引用计数系统的同步周期回收过程

1. 缓冲区（紫色框部分，称为疑似垃圾），存储全部可能根（步骤 A）；
2. 采用深度优先算法遍历「根缓冲区」中全部的「可能根（即 zval 遍历容器）」，并对每一个 zval 的 refcount 减 1，为了不遍历时对同一个 zval 屡次减 1（由于不一样的根可能遍历到同一个 zval）将这个 zvel 标记为「已减」（步骤 B）；
3. 再次采用深度优先遍历算法遍历「可能根 zval」。当 zval 的 refcount 值不为 0 时，对其加 1,不然保持为 0。并请已遍历的 zval 变量容器标记为「已恢复」（即步骤 B 的逆运算）。那些 zval 的 refcount 值为 0 （蓝色框标记）的就是应该被回收的变量（步骤 C）；
4. 删除全部 refcount 为 0 的可能根（步骤 D）。

整个过程为：

采用深度优先算法执行：默认删除 > 模拟恢复 > 执行删除 达到内存回收的目的。

优化后的引用计数算法优点

• 将内存泄露控制在阀值内，这个由缓存区实现，达到缓冲区大小执行新一轮垃圾回收；
• 提高了垃圾回收性能，不是每次 refcount 减 1 都执行回收处理，而是等到根缓冲区满时才开始执行垃圾回收。

你能够从 PHP 手册 的回收周期 了解更多，也能够阅读文末给出的参考资料。

PHP 7 的内存管理

PHP 5 中 zval 实现上的主要问题：

• zval 老是单独 从堆中分配内存；
• zval 老是存储引用计数和循环回收 的信息，即便是整型（bool / null）这种可能并不须要此类信息的数据；
• 在使用对象或者资源时，直接引用会致使两次计数；
• 某些间接访问须要一个更好的处理方式。好比如今访问存储在变量中的对象间接使用了四个指针（指针链的长度为四）；
• 直接计数也就意味着数值只能在 zval 之间共享。若是想在 zval 和 hashtable key 之间共享一个字符串就不行（除非 hashtable key 也是 zval）。

PHP 7 中的 zval 数据结构实现的调整：

最基础的变化就是 zval 须要的内存 再也不是单独从堆上分配，再也不由 zval 存储引用计数。
复杂数据类型（好比字符串、数组和对象）的引用计数由其自身来存储。 - 摘自 Internal value representation in PHP 7 - Part 1【 译】

这种实现的优点：

• 简单数据类型不须要单独分配内存，也不须要计数；
• 不会再有两次计数的状况。在对象中，只有对象自身存储的计数是有效的；
• 因为如今计数由数值自身存储（PHP 有 zval 变量容器存储），因此也就能够和非 zval 结构的数据共享，好比 zval 和 hashtable key 之间；
• 间接访问须要的指针数减小了。

更具体的有关 PHP 7 zval 实现和内存优化细节能够阅读 深刻理解 PHP7 内核之 zval 和 Internal value representation in PHP 7 - Part 1译。

参考资料

深刻理解 PHP7 内核之 zval

Internal value representation in PHP 7 - Part 1【译】

Internal value representation in PHP 7 - Part 2【译】

TPIP：第六节 写时复制（Copy On Write）

TPIP：内存管理

PHP7 内核之 zval

浅谈 PHP5 中垃圾回收算法 (Garbage Collection) 的演化

Confusion about PHP 7 refcount

引用计数系统中的同步周期回收 (Concurrent Cycle Collection in Reference Counted Systems) 论文

PHP7 革新与性能优化