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学习PHP底层就该学习PHP内核的存储机制

PHP自学中心 2020-06-12






文章来自:http://www.startphp.cn/front/php/0420167.htmlhttps://blog.csdn.net/ty_hf/article/details/73194886

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精选文章正文

看底层的源码确实是枯燥乏味,小编个人都觉得,但是这也是必须要学的。既然有详细的文章教程,那就好好学习一下吧。底层的文章教程还有几篇,看完你就知道该学些什么知识点了。


或许你知道,或许你不知道,PHP是一个弱类型,动态的脚本语言。所谓弱类型,就是说PHP并不严格验证变量类型(严格来讲,PHP是一个中强类型语言),在申明一个变量的时候,并不需要显示指明它保存的数据的类型。比如:$a = 1; (整形) $a ="1";(字符串)


一直使用PHP,但它究竟什么,底层是怎么实现才成就了PHP这样方便快捷的弱类型语言。 

最近也查阅了很多书籍,还有相关博客资料,了解到了许多关于PHP内核的一些机制。

php简单的理解就是一个c语言的类库,你去php.net 下面下载一下它的源代码就会发现,首先php的内核是zend engine ,它是一个用c语言写的函数库,用于处理底层的函数管理,内存管理,类管理,和变量管理。


在内核上面,他们写了很多扩展,这些扩展大多数都是独立的。用操作系统来比喻的话,zend engine 就是一个操作系统,然后官方提供了很多“应用程序”,只是这个“应用程序” 不是media play 而是 mysql , libxml,dom。当然,你也可以根据zend engine 的api 开发自己的扩展。


下边开始介绍下PHP变量在内核中的存储机制。
PHP是若类型语言,也就是说一个PHP变量可以保存任何的数据类型。但PHP是使用C语言编写的,而C语言是强类型语言是吧,每个变量都会有固定的类型,(一颗通过强类型转变,不过有可能出现问题),那在Zend引擎中如何做到一个变量保存任何数据类型?下边请看它存储结构体。


打开Zend/zend.h头文件,会发现下列结构体Zval:

1.zval结构

typedef struct _zval_struct zval;


typedef union _zvalue_value {
    long lval;      /* long value */
    double dval;    /* double value */
    struct {
    char *val; //4字节
    int len;   //4字节
    } str;
    HashTable *ht;    /* hash table value */
    zend_object_value obj;
 } zvalue_value;


struct _zval_struct {
    /* Variable information */
    zvalue_value value;  /* 变量值保存在这里 12字节*/
    zend_uint refcount;//4字节,变量引用计数器
    zend_uchar type;   /* active type变量类型 1字节*/
    zend_uchar is_ref;//是否变量被&引用,0表示非引用,1表示引用,1字节
};


2.zend_uchar type
PHP中的变量包括四种标量类型(bool,int,float,string),两种复合类型(array, object)和两种特殊的类型(resource 和NULL)。


在zend内部,这些类型对应于下面的宏(代码位置 phpsrc/Zend/zend.h) Zend根据type值来决定访问value的哪个成员,可用值如下:
学习PHP底层就该学习PHP内核的存储机制

3.zend_uint refcount__gc  
该值实际上是一个计数器,用来保存有多少变量(或者符号,symbols,所有的符号都存在符号表(symble table)中, 不同的作用域使用不同的符号表,关于这一点,我们之后会论述)指向该zval。在变量生成时,其refcount=1,典型的赋值操作如$a = $b会令zval的refcount加1,而unset操作会相应的减1。


在PHP5.3之前,使用引用计数的机制来实现GC,如果一个zval的refcount较少到0,那么Zend引擎会认为没有任何变量指向该zval,因此会释放该zval所占的内存空间。但事情有时并不会那么简单。


后面我们会看到,单纯的引用计数机制无法GC掉循环引用的zval(详见后举例3),即使指向该zval的变量已经被unset,从而导致了内存泄露(Memory Leak)。

4.is_ref__gc
这个字段用于标记变量是否是引用变量。对于普通的变量,该值为0,而对于引用型的变量,该值为1。这个变量会影响zval的共享、分离等。关于这点,我们之后会有论述。


正如名字所示,ref_count__gc和is_ref__gc是PHP的GC机制所需的很重要的两个字段,这两个字段的值,可以通过xdebug等调试工具查看。


下面我们围绕zval,展开叙述,PHP变量到底是怎么个存储机制。
Xdebug的安装我在前边PHPstorm Xdebug调试也介绍过,这里不赘述,请看:phpstorm+Xdebug断点调试PHP

安装成功后,你的脚本中,可以通过xdebug_debug_zval打印Zval的信息,用法:

$var = 1;
debug_zval_dump($var);
$var_dup = $var;
debug_zval_dump($var);


实例一:

$a = 1;
$b = $a;
$c = $b;
$d = &$c; // 在一堆非引用赋值中,插入一个引用


整个过程图示如下:
学习PHP底层就该学习PHP内核的存储机制
实例二:

$a = 1;
$b = &$a;
$c = &$b;
$d = $c; // 在一堆引用赋值中,插入一个非引用


整个过程图示如下:
学习PHP底层就该学习PHP内核的存储机制

通过实例一、二,展现了,这就是PHP的copy on write写时分离机制、change on write写时改变机制

过程:
PHP在修改一个变量以前,会首先查看这个变量的refcount,如果refcount大于1,PHP就会执行一个分离的例程, 

对于上面的实例一代码,当执行到第四行的时候,PHP发现$c指向的zval的refcount大于1,那么PHP就会复制一个新的zval出来,将原zval的refcount减1,并修改symbol_table,使得$a,$b和$c分离(Separation)。这个机制就是所谓的copy on write(写时复制/写时分离)。把$d指向的新zval的is_ref的值 == 1 ,这个机制叫做change on write(写时改变)


结论:
分离指的是:分离两个变量存储的zval的位置,让分开不指向同一个空间!(那如何判定是否要分离呢,依据是什么?见下边)

改变指的是,有&引用赋值时,要把新开辟的zval 的 is_ref 赋值为1

判定是否分离的条件:如果is_ref =1 或recount == 1,则不分离

if((*val)->is_ref || (*val)->refcount<2){
      //不执行Separation
    ... ;//process
}


实例三:(内存是如何泄漏的)

数组变量与普通变量生成的zval非常类似,但也有很大不同

举例:

$a = $array('one');  
$a[] = &$a;  
xdebug_debug_zval('a'); 


debug_zval_dump打印出zval的结构是:

a: (refcount=2, is_ref=1)=array (
    0 => (refcount=1, is_ref=0)='one'
    1 => (refcount=2, is_ref=1)=...
)


上述输出中,…表示指向原始数组,因而这是一个循环的引用。如下图所示:
学习PHP底层就该学习PHP内核的存储机制

现在,我们对$a执行unset操作,这会在symbol table中删除相应的symbol,同时,zval的refcount减1(之前为2),也就是说,现在的zval应该是这样的结构:

unset($a);
(refcount=1, is_ref=1)=array (
    0 => (refcount=1, is_ref=0)='one'
    1 => (refcount=1, is_ref=1)=...
)



(应该ref_count=1)
(unset,其实就是打断$a在 符号表(symble table) 与zval 的一个指针映射关系。)

这时,不幸的事情发生了!

Unset之后,虽然没有变量指向该zval,但是该zval却不能被GC(指PHP5.3之前的单纯引用计数机制的GC)清理掉,$a 被释放,但是$a里的$a[1]也指向了该zval,它没有被释放,导致zval的refcount均大于0。这样,这些zval实际上会一直存在内存中,直到请求结束(参考SAPI的生命周期)。在此之前,这些zval占据的内存不能被使用,便白白浪费了,换句话说,无法释放的内存导致了内存泄露。

如果这种内存泄露仅仅发生了一次或者少数几次,倒也还好,但如果是成千上万次的内存泄露,便是很大的问题了。尤其在长时间运行的脚本中(例如守护程序,一直在后台执行不会中断),由于无法回收内存,最终会导致系统“再无内存可用”,所以说,一定要避免这种操作。




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