PHP5底層原理之垃圾回收機制
- 2019 年 10 月 29 日
- 筆記
概念
垃圾回收機制 是一種記憶體動態分配的方案，它會自動釋放程式不再使用的已分配的記憶體塊。
垃圾回收機制 可以讓程式設計師不必過分關心程式記憶體分配，從而將更多的精力投入到業務邏輯。
與之相關的一個概念，記憶體泄露 指的是程式未能釋放那些已經不再使用的記憶體，造成記憶體的浪費。
那麼 PHP 是如何實現垃圾回收機制的呢？
PHP變數的內部存儲結構
首先還是需要了解下 基礎知識，便於對垃圾回收原理內容的理解。
PHP 所有類型的變數在底層都會以 zval 結構體 的形式實現 (源碼文件Zend/zend.h)
源碼根目錄搜索
grep -rin --color --include=*.h --include=*.c _zval_struct *
struct _zval_struct { /* Variable information */ zvalue_value value; /* 變數value值 */ zend_uint refcount__gc; /* 引用計數記憶體中使用次數，為0刪除該變數 */ zend_uchar type; /* 變數類型 */ zend_uchar is_ref__gc; /* 區分是否是引用變數，是引用為1，否則為0 */ }; 註：上面 zval 結構體是 php5.3 版本之後的結構，php5.3 之前因為沒有引入新的垃圾回收機制，即 GC，所以命名也沒有_gc；而 php7 版本之後由於性能問題所以改寫了 zval 結構，這裡不再表述。
引用計數原理
變數容器
每個 PHP 變數存於一個叫 zval 的變數容器中。創建變數容器時，變數容器的 ref_count 初始值為 1， 每次被變數使用後，ref_count + 1 。當刪除變數時(unset( ))，則它指向的變數容器的 ref_count – 1 。
非 array 和 object 變數
每次將常量賦值給一個變數時，都會產生 一個 變數容器
舉例：
$a = 'new string'; xdebug_debug_zval('a'); 結果會輸出：
a:(refcount=1, is_ref=0),string 'new string' (length=10) array 和 object 變數
每次將常量賦值給一個變數時，都會產生 元素個數 +1 個 變數容器
舉例：
$b = [ 'name' => 'new string', 'number' => 12 ]; xdebug_debug_zval('b'); 結果會輸出：
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 賦值原理
寫時複製原理
php 在設計的時候，為了節省記憶體，所以在變數之間賦值時，對於值相同的兩個變數，會共用一塊記憶體，也就是會在 全局符號表 內將變數 b 的變數指針指向變數 a 指向的同一個 zval 結構體，而只有當其中一個變數的 zval 結構發生變化時，才會發生變數容器複製的記憶體變化，也因此叫做 寫時複製原理。
寫時複製原理 觸發時機：
php在修改一個變數時，如果發現變數的 refcount > 1，則會執行變數容器的記憶體複製
舉例：
// 創建一個變數容器，變數 a 指向給變數容器，a 的 ref_count 為 1 $a = ['name' => 'string','number' => 3]; // 變數 b 也指向變數 a 指向的變數容器，a 和 b 的 ref_count 為 2 $b = $a; xdebug_debug_zval('a', 'b'); echo '<hr/>' // 變數 b 的其中一個元素髮生改變，此時會複製出一個新的變數容器，變數 b 重新指向新的變數容器，a 和 b 的ref_count 變成 1 $b['name'] = 'new string'; xdebug_debug_zval('a', 'b'); 結果輸出：
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 寫時改變原理
上面說了普通賦值的情況，那麼將引用賦值呢？
先通過舉例說明
$a = ['name' => 'string','number' => 3]; $b = &$a; xdebug_debug_zval("a", "b"); 結果輸出
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 此時，我們發現，變數 a 和 b 的 refcount 還是 2，只不過 is_ref 變成了 1，那是因為在將變數 a 引用賦值給變數b 時，在原變數容器上作了修改，將 is_ref 變成了 1，且 refcount + 1
那如果引用賦值的基礎上又發生了變數的改變了呢？
$a = ['name' => 'string','number' => 3]; $b = &$a; $b['name'] = "new string"; xdebug_debug_zval("a", "b"); 結果輸出：
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 神奇的事情發生了，變數 b 和變數 a 的值一起發生改變了，其實這是因為觸發了寫時改變原理。
寫時改變原理 觸發時機：
is_ref 為 1 的變數容器在被賦值之前，優先檢查變數容器的 is_ref 是否等於 1 ，如果為 1，則不進行寫時複製，而是在原變數容器基礎上作內容修改；而如果將 is_ref 為 1 的變數容器賦值給其他變數時，則會立即觸發 寫時改變原理
現在將上面幾個例子結合起來，又會是怎樣的呢？
$a = ['name' => 'string','number' => 3]; $b = $a; $c = &$a; xdebug_debug_zval("a", "b", "c"); 結果輸出：
執行過程：
執行第一行：變數容器的 refcount 為 1
執行第二行：變數容器的 refcount 為 2，變數 a 和 變數 b 共享同一個變數容器
執行第三行：要將變數 a 引用賦值 給 變數 c，此時變數容器的 refcount > 1，如果要發生改變，會觸發 寫時複製，將變數 a 和 變數 b 分離，之後將變數 a 引用賦值給變數 c，則變數容器的 is_rel 變成 1，且 refcount 變成 2。
引用計數清 0
當變數容器的 ref_count 計數清 0 時，表示該變數容器就會被銷毀，實現了記憶體回收。
這就是 PHP 5.3 版本之前的垃圾回收機制。
舉例：
$a = "new string"; $b = $a; xdebug_debug_zval('a'); unset($b); // 刪除了符號表中的變數名 b，同時它指向的變數容器 ref_count -1 xdebug_debug_zval('a'); xdebug_debug_zval('b'); 結果輸出：
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 循環引用引發的記憶體泄露問題
當我們添加一個 數組或對象 作為這個 數組或對象 的元素時，而如果此時刪除了這個變數符號(unset)，此變數容器並不會被刪除。因為其子元素還在指向該變數容器，但是由於所有作用域內沒有任何符號指向這個變數容器，所以用戶沒有辦法清除這個變數容器，結果就會導致記憶體泄露，直到該腳本執行結束被動清除這個變數容器。
舉例：把數組作為一個元素添加到自己
$a = array( 'one' ); $a[] = &$a; xdebug_debug_zval( 'a' ); 會輸出：
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< 圖示：
能看到數組變數 a 同時也是這個數組的第二個元素「1」指向的變數容器中 refcount 為 2。上面的輸出結果中的 &array< 意味著指向原始數組。
跟剛剛一樣，對一個變數調用 unset，將刪除這個符號，且它指向的變數容器中的引用次數也減 1。所以，如果我們在執行完上面的程式碼後，對變數 a 調用 unset , 那麼變數 a 和數組元素 「1」所指向的變數容器的引用次數減 1, 從 2 變成了 1 . 下例可以說明:
unset($a); 圖示：
如果上面的情況發生僅僅一兩次倒沒什麼，但是如果出現幾千次，甚至幾十萬次的記憶體泄漏，這顯然是個大問題。這樣的問題往往發生在長時間運行的腳本中，比如請求基本上不會結束的守護進程(deamons)或者單元測試中的大的套件(sets)中。
新的垃圾回收機制
PHP 5.3 版本之後引入 根緩衝機制，即 PHP 啟動時默認設置指定 zval 數量的根緩衝區（默認是10000），當 PHP發現有存在 循環引用 的 zval 時，就會把其投入到根緩衝區，當根緩衝區達到配置文件中的指定數量（默認是10000）後，就會進行垃圾回收，以此解決循環引用導致的記憶體泄漏問題。
垃圾回收演算法
每當根快取區存滿時，PHP 會對根緩衝區的所有變數容器遍歷進行 模擬刪除，然後進行 模擬恢復。但是 PHP 只會對進行模擬刪除後 refcount > 0 的變數容器進行恢復，那麼沒有進行恢復的也就是 refcount = 0 的就是垃圾了。
確認為垃圾的準則
1、如果引用計數減少到零，所在變數容器將被清除(free)，不屬於垃圾
2、如果一個zval 的引用計數減少後還大於0，那麼它會進入垃圾周期。其次，在一個垃圾周期中，通過檢查引用計數是否減1，並且檢查哪些變數容器的引用次數是零，來發現哪部分是垃圾。
總結
垃圾回收機制：
1、以 php 的引用計數機製為基礎（ php5.3 以前只有該機制）
2、同時使用根緩衝區機制，當 php 發現有存在循環引用的 zval 時，就會把其投入到根緩衝區，當根緩衝區達到配置文件中的指定數量後，就會進行垃圾回收，以此解決循環引用導致的記憶體泄漏問題（ php5.3 開始引入該機制）
