zval、引用計數、變量分離、寫時拷貝

我們一步步來理解

1、php語言特性

PHP是腳本語言，所謂腳本語言，就是說PHP并不是獨立運行的，要運行PHP代碼需要PHP解析器，用戶編寫的PHP代碼最終都會被PHP解析器解析執行

PHP的執行是通過Zend engine(ZE, Zend引擎)，ZE是用C編寫的

用戶編寫的PHP代碼最終都會被翻譯成PHP的虛擬機ZE的虛擬指令(OPCODES)來執行

也就說最終會被翻譯成一條條的指令

既然這樣，有什么結果和你預想的不一樣，查看php源碼是最直接最有效的

2、php變量的存儲結構

在PHP中，所有的變量都是用一個結構zval結構來保存的，在Zend/zend.h中可以看到zval的定義：

zval結構包括：

① value —— 值，是真正保存數據的關鍵部分，定義為一個聯合體(union)

② type —— 用來儲存變量的類型

③ is_ref —— 下面介紹

④ refcount —— 下面介紹

聲明一個變量

$addr="北京";

PHP內部都是使用zval來表示變量的，那對于上面的腳本，ZE是如何把addr和內部的zval結構聯系起來的呢？

變量都是有名字的(本例中變量名為addr)

而zval中并沒有相應的字段來體現變量名。PHP內部肯定有一個機制，來實現變量名到zval的映射

在PHP中，所有的變量都會存儲在一個數組中(確切的說是hash table)

當你創建一個變量的時候，PHP會為這個變量分配一個zval，填入相應的信息，然后將這個變量的名字和指向這個zval的指針填入一個數組中。當你獲取這個變量的時候，PHP會通過查找這個數組，取得對應的zval

注意：數組和對象這類復合類型在生成zval時，會為每個單元生成一個zval

3、我們經常說每個變量都有一個內存地址，那這個zval和變量的內存地址，這倆有什么關系嗎？

定義一個變量會開辟一塊內存，這塊內存好比一個盒子，盒子里放了zval，zval里保存了變量的相關信息，需要開辟多大的內存，是由zval所占空間大小決定的

zval是內存對象，垃圾回收的時候會把zval和內存地址(盒子)分別釋放掉

4、引用計數、變量分離、寫時拷貝

zval中的refcount和is_ref還沒有介紹，我們知道PHP是一個長時間運行的服務器端腳本。那么對于它來說，效率和資源占用率是一個很重要的衡量標準，也就是說，PHP必須盡量減少內存占用率。考慮下面這段代碼：

第一行代碼創建了一個字符串變量，申請了一個大小為9字節的內存，保存了字符串“laruence”和一個NULL(\0)的結尾

第二行定義了一個新的字符串變量，并將變量var的值“復制”給這個新的變量

第三行unset了變量var

這樣的代碼是很常見的，如果PHP對于每一個變量賦值都重新分配內存，copy數據的話，那么上面的這段代碼就要申請18個字節的內存空間，為了申請新的內存，還需要cpu執行某些計算，這當然會加重cpu的負載

而我們也很容易看出來，上面的代碼其實根本沒有必要申請兩份空間，當第三句執行后，$var被釋放了，我們剛才的設想(申請18個字節內存空間)突然變的很滑稽，這次復制顯得好多余。如果早知道$var不用了，直接讓$var_dup用$var的內存不就行了，還復制干嘛？如果你覺得9個字節沒什么，那設想下如果$var是個10M的文件內容，或者20M，是不是我們的計算機資源消耗的有點冤枉呢？

呵呵，PHP的開發者也看出來了：

剛才說了，PHP中的變量是用一個存儲在symbol_table中的符號名，對應一個zval來實現的，比如對于上面的第一行代碼，會在symbol_table中存儲一個值“var”，對應的有一個指針指向一個zval結構，變量值“laruence”保存在這個zval中，所以不難想象，對于上面的代碼來說，我們完全可以讓“var”和“var_dup”對應的指針都指向同一個zval就可以了(額，鳥哥一會說hash table，一會說symbol_table，暫且理解為symbol_table是hash table的子集)

PHP也是這樣做的，這個時候就需要介紹一下zval結構中的refcount字段了

refcount，引用計數，記錄了當前的zval被引用的次數(這里的引用并不是真正的 & ，而是有幾個變量指向它)

比如對于代碼:

第一行，創建了一個整形變量，變量值是1。 此時保存整形1的這個zval的refcount為1

第二行，創建了一個新的整形變量(通過賦值的方式)，變量也指向剛才創建的zval，并將這個zval的refcount加1，此時這個zval的refcount為2

所以，這個時候(通過值傳遞的方式賦值給別的變量)，并沒有產生新的zval，兩個變量指向同一zval，通過一個計數器來共用zval及內存地址，以達到節省內存空間的目的

當一個變量被第一次創建的時候，它對應的zval結構的refcount的值會被初始化為1，因為只有這一個變量在用它。但是當你把這個變量賦值給別的變量時，refcount屬性便會加1變成2，因為現在有兩個變量在用這個zval結構了

PHP提供了一個函數可以幫助我們了解這個過程debug_zval_dump

輸出：

long(1) refcount(2)

long(1) refcount(3)

如果你奇怪 ，var的refcount應該是1啊？

我們知道，對于簡單變量，PHP是以傳值的形式傳參數的。也就是說，當執行debug_zval_dump($var)的時候，$var會以傳值的方式傳遞給debug_zval_dump，也就是會導致var的refcount加1，所以只要能看到，當變量賦值給一個變量以后，能導致zval的refcount加1這個結果即可

現在我們回頭看上面的代碼， 當執行了最后一行unset($var)以后，會發生什么呢？

unset($var)的時候，它刪除符號表里的$var的信息，準備清理它對應的zval及內存空間，這時它發現$var對應的zval結構的refcount值是2，也就是說，還有另外一個變量在一起用著這個zval，所以unset只需把這個zval的refcount減去1就行了

上代碼：

輸出：

string(8) "laruence" refcount(2)

但是，對于下面的代碼呢？

很明顯在這段代碼執行以后，$var_dup的值應該還是“laruence”，那么這又是怎么實現的呢？

這就是PHP的copy on write機制(簡稱COW)：

PHP在修改一個變量以前，會首先查看這個變量的refcount，如果refcount大于1，PHP就會執行一個分離的過程(在Zend引擎中，分離是破壞一個引用對的過程)

對于上面的代碼，當執行到第三行的時候，PHP發現$var想要改變，并且它指向的zval的refcount大于1，那么PHP就會復制一個新的zval出來，改變其值，將改變的變量指向新的zval(哪個變量指向新復制的zval其實已經無所謂了)，并將原zval的refcount減1，并修改symbol_table里該變量的指針，使得$var和$var_dup分離(Separation)。這個機制就是所謂的copy on write(寫時復制，這里的寫包括普通變量的修改及數組對象里的增加、刪除單元操作)

如果了解了is_ref之后，上面說的并不嚴謹

上代碼測試：

輸出：

long(1) refcount(2)

string(8) "laruence" refcount(2)

現在我們知道，當使用變量復制的時候 ，PHP內部并不是真正的復制，而是采用指向相同的zval結構來節約開銷。那么，對于PHP中的引用，又是如何實現呢？

這段代碼結束以后，$var也會被間接的修改為1，這個過程稱作(change on write：寫時改變)

那么ZE是怎么知道，這次的復制不需要Separation呢？

這個時候就要用到zval中的is_ref字段了：

對于上面的代碼，當第二行執行以后，$var所代表的zval的refcount變為2，并且設置is_ref為1

到第三行的時候，PHP先檢查var_ref對應的zval的is_ref字段(is_ref 表示該zval是否被&引用，僅表示真或假，就像開關的開與關一樣，zval的初始化情況下為0，即非引用)，如果為1，則不分離，直接更改(否則需要執行剛剛提到的zval分離)，更改共享的zval實際上也間接更改了$var的值，因為引擎想所有的引用變量都看到這一改變

php源碼做了這樣一個判斷，大體邏輯示意如下：

如果這個zval中的if_ref為1(即被引用)，或者該zval引用計數小于2

任何一種方式：都不會進行分離

盡管已經存在寫時復制和寫時改變，但仍然還存在一些不能通過is_ref和refcount來解決的問題

對于如下的代碼，又會怎樣呢？

這里$var、$var_dup、$var_ref三個變量將共用一個zval結構(其實這是不可能的，一個zval不可能既被&，又被指向)，有兩個屬于change-on-write組合($var和$var_ref)，有兩個屬于copy-on-write組合($var和$var_dup)，那is_ref和refcount該怎樣工作，才能正確的處理好這段復雜的關系呢？

答案是不可能！在這種情況下，變量的值必須分離成兩份完全獨立的存在

當執行第二行代碼的時候，和前面講過的一樣，$var_dup 和 $var 指向相同的zval， refcount為2

當執行第三行的時候，PHP發現要操作的zval的refcount大于1，則PHP會執行Separation(也就是說php將一個zval的is_ref從0設為1 之前，當然此時refcount還沒有增加，會看該zval的refcount，如果refcount>1，則會分離), 將$var_dup分離出去，并將$var和$var_ref做change on write關聯。也就是，refcount=2, is_ref=1;

所以內存會給變量var_dup 分配出一個新的zval，類型與值同 $var和$var_ref指向的zval一樣，是新分配出來的，盡管他們擁有同樣的值，但是必須通過兩個zval來實現。試想一下，如果三者指向同一個zval的話，改邊 $var_dup 的值，那么 $var和$var_ref 也會受到影響，這樣就亂套了

圖解：

下面的這段代碼在內核中同樣會產生歧義，所以需要強制復制！

也就是說一個zval不會既被引用，又被指向，必須分離

基于這樣的分析，我們就可以讓debug_zval_dump出refcount為1的結果來：

輸出：

string(8) "laruence" refcount(1)

為什么結果是refcount(1)呢

debug_zval_dump()中參數是引用的話，refcount永遠為1

小結：

這兩段代碼在執行的時候是這樣的邏輯：

PHP先看變量指向的zval是否被引用，如果是引用，則不再產生新的zval

甭管哪個變量引用了它，比如有個變量$a被引用了，$b=&$a，就算自己引用自己$a=&$a，$a所指向的zval都不會被復制，改變其中一個變量的值，另一個值也被改變(寫時改變)

如果is_ref為0且refcount大于1，改變其中一個變量時，復制新的zval(寫時復制)

5、垃圾回收概述

refcount和is_ref這兩個家伙與垃圾回收有關(garbage collection簡稱gc)

PHP的垃圾回收全靠這倆字段了。其中refcount表示當前有幾個變量引用此zval，而is_ref表示當前zval是否被按引用引用

PHP5.2中的垃圾回收算法 —— Reference Counting

PHP5.2中使用的內存回收算法是大名鼎鼎的Reference Counting，這個算法中文翻譯叫做“引用計數”，其思想非常直觀和簡潔：為每個內存對象分配一個計數器，當一個內存對象建立時計數器初始化為1(此時總是有一個變量引用此對象)，以后每有一個新變量引用此內存對象，則計數器加1，而每當減少一個引用此內存對象的變量則計數器減1，任何關聯到某個zval的變量離開它的作用域(比如：函數執行結束)，或者把變量unset掉，refcount也會減1

當垃圾回收機制運作的時候，將所有計數器為0的內存對象銷毀并回收其占用的內存。而PHP中內存對象就是zval，計數器就是refcount

Reference Counting簡單直觀，實現方便，但卻存在一個致命的缺陷，就是容易造成內存泄露(具體原因百度)

由于Reference Counting的這個缺陷，PHP5.3改進了垃圾回收算法

PHP5.3的垃圾回收算法仍然以引用計數為基礎，但是不再是使用簡單計數作為回收準則，而是使用了一種同步回收算法，這個算法由IBM的工程師在論文Concurrent Cycle Collection in Reference Counted Systems中提出

這里只需要了解垃圾回收是以引用計數為基礎的就可以

總結

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