变量在 PHP7 内部的实现（一）

C 语言联合体的特征是一次只有一个成员是有效的并且分配的内存与需要内存最多的成员匹配（也要考虑内存对齐）。所有成员都存储在内存的同一个位置，根据需要存储不同的值。当你需要 lval 的时候，它存储的是有符号整形，需要 dval 时，会存储双精度浮点数。

需要指出的是是联合体中当前存储的数据类型会记录到 type 字段，用一个整型来标记：

#define IS_NULL 0 /* Doesn't use value */ #define IS_LONG 1 /* Uses lval */ #define IS_DOUBLE 2 /* Uses dval */ #define IS_BOOL 3 /* Uses lval with values 0 and 1 */ #define IS_ARRAY 4 /* Uses ht */ #define IS_OBJECT 5 /* Uses obj */ #define IS_STRING 6 /* Uses str */ #define IS_RESOURCE 7 /* Uses lval,which is the resource ID */ /* Special types used for late-binding of constants */ #define IS_CONSTANT 8 #define IS_CONSTANT_AST 9

PHP5 中的引用计数

在PHP5中，zval 的内存是单独从堆（heap）中分配的（有少数例外情况），PHP 需要知道哪些 zval 是正在使用的，哪些是需要释放的。所以这就需要用到引用计数：zval 中 refcount__gc 的值用于保存 zval 本身被引用的次数，比如 $a = $b = 42 语句中，42 被两个变量引用，所以它的引用计数就是 2。如果引用计数变成 0，就意味着这个变量已经没有用了，内存也就可以释放了。

注意这里提及到的引用计数指的不是 PHP 代码中的引用（使用 &），而是变量的使用次数。后面两者需要同时出现时会使用『PHP 引用』和『引用』来区分两个概念，这里先忽略掉 PHP 的部分。

一个和引用计数紧密相关的概念是『写时复制』：对于多个引用来说，zaval 只有在没有变化的情况下才是共享的，一旦其中一个引用改变 zval 的值，就需要复制（"separated"）一份 zval，然后修改复制后的 zval。

下面是一个关于『写时复制』和 zval 的销毁的例子：

zval_1(type=IS_LONG,value=42,refcount=1) $b = $a; // $a,$b -> zval_1(type=IS_LONG,refcount=2) $c = $b; // $a,$b,$c -> zval_1(type=IS_LONG,refcount=3)

// 下面几行是关于 zval 分离的
$a += 1; // $b,refcount=2)
// $a -> zval_2(type=IS_LONG,value=43,refcount=1)

unset($b); // $c -> zval_1(type=IS_LONG,refcount=1)
// $a -> zval_2(type=IS_LONG,refcount=1)

unset($c); // zval_1 is destroyed,because refcount=0
// $a -> zval_2(type=IS_LONG,refcount=1)

引用计数有个致命的问题：无法检查并释放循环引用（使用的内存）。为了解决这问题，PHP 使用了循环回收的方法。当一个 zval 的计数减一时，就有可能属于循环的一部分，这时将 zval 写入到『根缓冲区』中。当缓冲区满时，潜在的循环会被打上标记并进行回收。

因为要支持循环回收，实际使用的 zval 的结构实际上如下：

zval_gc_info 结构体中嵌入了一个正常的 zval 结构，同时也增加了两个指针参数，但是共属于同一个联合体 u，所以实际使用中只有一个指针是有用的。buffered 指针用于存储 zval 在根缓冲区的引用地址，所以如果在循环回收执行之前 zval 已经被销毁了，这个字段就可能被移除了。next 在回收销毁值的时候使用，这里不会深入。

修改动机

下面说说关于内存使用上的情况，这里说的都是指在 64 位的系统上。首先，由于 str 和 obj 占用的大小一样， zvalue_value 这个联合体占用 16 个字节（bytes）的内存。整个 zval 结构体占用的内存是 24 个字节（考虑到内存对齐），zval_gc_info 的大小是 32 个字节。综上，在堆（相对于栈）分配给 zval 的内存需要额外的 16 个字节，所以每个 zval 在不同的地方一共需要用到 48 个字节（要理解上面的计算方式需要注意每个指针在 64 位的系统上也需要占用 8 个字节）。

在这点上不管从什么方面去考虑都可以认为 zval 的这种设计效率是很低的。比如 zval 在存储整型的时候本身只需要 8 个字节，即使考虑到需要存一些附加信息以及内存对齐，额外 8 个字节应该也是足够的。

在存储整型时本来确实需要 16 个字节，但是实际上还有 16 个字节用于引用计数、16 个字节用于循环回收。所以说 zval 的内存分配和释放都是消耗很大的操作，我们有必要对其进行优化。

从这个角度思考：一个整型数据真的需要存储引用计数、循环回收的信息并且单独在堆上分配内存吗？答案是当然不，这种处理方式一点都不好。

这里总结一下 PHP5 中 zval 实现方式存在的主要问题：

zval 总是单独从堆中分配内存；

zval 总是存储引用计数和循环回收的信息，即使是整型这种可能并不需要此类信息的数据； 在使用对象或者资源时，直接引用会导致两次计数（原因会在下一部分讲）； 某些间接访问需要一个更好的处理方式。比如现在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）。这个问题也放到下一部分讨论； 直接计数也就意味着数值只能在 zval 之间共享。如果想在 zval 和 hashtable key 之间共享一个字符串就不行（除非 hashtable key 也是 zval）。

PHP7 中的 zval

在 PHP7 中 zval 有了新的实现方式。最基础的变化就是 zval 需要的内存不再是单独从堆上分配，不再自己存储引用计数。复杂数据类型（比如字符串、数组和对象）的引用计数由其自身来存储。这种实现方式有以下好处：

简单数据类型不需要单独分配内存，也不需要计数； 不会再有两次计数的情况。在对象中，只有对象自身存储的计数是有效的； 由于现在计数由数值自身存储，所以也就可以和非 zval 结构的数据共享，比如 zval 和 hashtable key 之间； 间接访问需要的指针数减少了。

我们看看现在 zval 结构体的定义（现在在 zend_types.h 文件中）：

结构体的第一个元素没太大变化，仍然是一个 value 联合体。第二个成员是由一个表示类型信息的整型和一个包含四个字符变量的结构体组成的联合体（可以忽略 ZEND_ENDIAN_LOHI_4 宏，它只是用来解决跨平台大小端问题的）。这个子结构中比较重要的部分是 type（和以前类似）和 type_flags，这个接下来会解释。

上面这个地方也有一点小问题：value 本来应该占 8 个字节，但是由于内存对齐，哪怕只增加一个字节，实际上也是占用 16 个字节（使用一个字节就意味着需要额外的 8 个字节）。但是显然我们并不需要 8 个字节来存储一个 type 字段，所以我们在 u1 的后面增加了了一个名为 u2 的联合体。默认情况下是用不到的，需要使用的时候可以用来存储 4 个字节的数据。这个联合体可以满足不同场景下的需求。

PHP7 中 value 的结构定义如下：

首先需要注意的是现在 value 联合体需要的内存是 8 个字节而不是 16。它只会直接存储整型（lval）或者浮点型（dval）数据，其他情况下都是指针（上面提到过，指针占用 8 个字节，最下面的结构体由两个 4 字节的无符号整型组成）。上面所有的指针类型（除了特殊标记的）都有一个同样的头（zend_refcounted）用来存储引用计数：

现在，这个结构体肯定会包含一个存储引用计数的字段。除此之外还有 type、flags 和 gc_info。type 存储的和 zval 中的 type 相同的内容，这样 GC 在不存储 zval 的情况下单独使用引用计数。flags 在不同的数据类型中有不同的用途，这个放到下一部分讲。

gc_info 和 PHP5 中的 buffered 作用相同，不过不再是位于根缓冲区的指针，而是一个索引数字。因为以前根缓冲区的大小是固定的（10000 个元素），所以使用一个 16 位（2 字节）的数字代替 64 位（8 字节）的指针足够了。gc_info 中同样包含一个『颜色』位用于回收时标记结点。

zval 内存管理

上文提到过 zval 需要的内存不再单独从堆上分配。但是显然总要有地方来存储它，所以会存在哪里呢？实际上大多时候它还是位于堆中（所以前文中提到的地方重点不是堆，而是单独分配），只不过是嵌入到其他的数据结构中的，比如 hashtable 和 bucket 现在就会直接有一个 zval 字段而不是指针。所以函数表编译变量和对象属性在存储时会是一个 zval 数组并得到一整块内存而不是散落在各处的 zval 指针。之前的 zval * 现在都变成了 zval。

之前当 zval 在一个新的地方使用时会复制一份 zval * 并增加一次引用计数。现在就直接复制 zval 的值（忽略 u2），某些情况下可能会增加其结构指针指向的引用计数（如果在进行计数）。

那么 PHP 怎么知道 zval 是否正在计数呢？不是所有的数据类型都能知道，因为有些类型（比如字符串或数组）并不是总需要进行引用计数。所以 type_info 字段就是用来记录 zval 是否在进行计数的，这个字段的值有以下几种情况：

注：在 7.0.0 的正式版本中，上面这一段宏定义的注释这几个宏是供 zval.u1.v.type_flags 使用的。这应该是注释的错误，因为这个上述字段是 zend_uchar 类型。

type_info 的三个主要的属性就是『可计数』（refcounted）、『可回收』（collectable）和『可复制』（copyable）。计数的问题上面已经提过了。『可回收』用于标记 zval 是否参与循环，不如字符串通常是可计数的，但是你却没办法给字符串制造一个循环引用的情况。

（编辑：安卓应用网）

【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!