PHP 的垃圾回收机制

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前言

平时经常听到大牛说到的gc，就是垃圾回收器，全称Garbage Collection。

早期版本，准确地说是5.3之前(不包括5.3)的垃圾回收机制，是没有专门的垃圾回收器的。只是简单的判断了一下变量的zval的refcount是否为0，是的话就释放否则不释放直至进程结束。

乍一看确实没毛病啊，然而其中隐藏着变量内存溢出的风险：http://bugs.php.net/bug.php?id=33595 ，无法回收的内存造成了内存泄漏，所以PHP5.3出现了专门负责清理垃圾数据、防止内存泄漏的GC。

下面将由浅入深来记录下php的垃圾回收机制是怎么一回事？

php引用计数基本知识点

首先必须要先讲讲这个会引起垃圾回收的关键基数是怎么回事？

关于php的zval结构体，以及refcount与is_ref的知识点，在《PHP 底层分析》已描述非常清楚。

不准确但却通俗的说：
refcount：多少个变量是一样的用了相同的值，这个数值就是多少。
is_ref：bool类型，当refcount大于2的时候，其中一个变量用了地址&的形式进行赋值，好了，它就变成1了。

主要讲讲如何用php来直观的看到这些计数的变化。
首先需要在php上装上xdebug的扩展。

1.第一步：查看内部结构

  1. <?php
  2.     $name = "咖啡色的羊驼";
  3.     xdebug_debug_zval('name');

 

会得到：

name:(refcount=1, is_ref=0),string '咖啡色的羊驼' (length=18)

2.第二步：增加一个计数

  1. <?php
  2.     $name = "咖啡色的羊驼";
  3.     $temp_name = $name;
  4.     xdebug_debug_zval('name');

 

会得到：

name:(refcount=2, is_ref=0),string '咖啡色的羊驼' (length=18)

看到了吧，refcount＋1了。

3.第三步：引用赋值

  1. <?php
  2.     $name = "咖啡色的羊驼";
  3.     $temp_name = &$name;
  4.     xdebug_debug_zval('name');

 

会得到：

name:(refcount=2, is_ref=1),string '咖啡色的羊驼' (length=18)

是的引用赋值会导致zval通过is_ref来标记是否存在引用的情况。

4.第四步：数组型的变量

  1. <?php
  2.     $name = ['a'=>'咖啡色', 'b'=>'的羊驼'];
  3.     xdebug_debug_zval('name');

 

会得到：

name:
(refcount=1, is_ref=0),
array (size=2)
'a' => (refcount=1, is_ref=0),string '咖啡色' (length=9)
'b' => (refcount=1, is_ref=0),string '的羊驼' (length=9)

还挺好理解的，对于数组来看是一个整体，对于内部kv来看又是分别独立的整体，各自都维护着一套zval的refount和is_ref。

5.第五步：销毁变量

  1. <?php
  2.     $name = "咖啡色的羊驼";
  3.     $temp_name = $name;
  4.     xdebug_debug_zval('name');
  5.     unset($temp_name);
  6.     xdebug_debug_zval('name');

 

会得到：

name:(refcount=2, is_ref=0),string '咖啡色的羊驼' (length=18)
name:(refcount=1, is_ref=0),string '咖啡色的羊驼' (length=18)

refcount计数减1，说明unset并非一定会释放内存，当有两个变量指向的时候，并非会释放变量占用的内存，只是refcount减1.

php的内存管理机制

知道了zval是怎么一回事，接下来看看如何通过php直观看到内存管理的机制是怎么样的。

外在的内存变化

先来一段代码：

  1. <?php
  2.     //获取内存方法，加上true返回实际内存，不加则返回表现内存
  3.     var_dump(memory_get_usage());
  4.     $name = "咖啡色的羊驼";
  5.     var_dump(memory_get_usage());
  6.     unset($name);
  7.     var_dump(memory_get_usage());

 

会得到：

int 1593248
int 1593384
int 1593248

大致过程：定义变量->内存增加->清除变量->内存恢复

潜在的内存变化

当执行：

$name = "咖啡色的羊驼";

时候，内存的分配做了两件事情：

1.为变量名分配内存，存入符号表
2.为变量值分配内存

再来看代码：

  1. <?php
  2.  
  3.     var_dump(memory_get_usage());
  4.     for($i=0;$i<100;$i++)
  5.     {
  6.         $a = "test".$i;
  7.         $$a = "hello";    
  8. 	}
  9. 	var_dump(memory_get_usage());
  10. 	for($i=0;$i<100;$i++)
  11. 	{
  12. 	    $a = "test".$i;
  13.  		unset($$a);    
  14.     }
  15.     var_dump(memory_get_usage());

 

会得到：

int 1596864
int 1612080
int 1597680

怎么和之前看的不一样？内存没有全部回收回来。

对于php的核心结构Hashtable来说，由于未知性，定义的时候不可能一次性分配足够多的内存块。所以初始化的时候只会分配一小块，等不够的时候在进行扩容，而Hashtable只扩容不减少，所以就出现了上述的情况:当存入100个变量的时候，符号表不够用了就进行一次扩容，当unset的时候只释放了”为变量值分配内存”，而“为变量名分配内存”是在符号表的，符号表并没有缩小，所以没收回来的内存是被符号表占去了。

潜在的内存申请与释放设计

php和c语言一样，也是需要进行申请内存的，只不过这些操作作者都封装到底层了，php使用者无感知而已。

php的内存申请小设计

php并非简单的向os申请内存，而是会申请一大块内存，把其中一部分分给申请者，这样当再有逻辑来申请内存的时候，就不需要向os申请了，避免了频繁调用。当内存不够的时候才会再次申请

php的内存释放小设计

当释放内存的时候，php并非会把内存还给os，而是把内存轨道自己维护的空闲内存列表，以便重复利用.

php中垃圾是如何定义的？

准确地说，判断是否为垃圾，主要看有没有变量名指向变量容器zval，如果没有则认为是垃圾，需要释放。

打个比方：

  1. <?php
  2.     $name = "咖啡色的羊驼";
  3.     // todo other things

 

当定义name的时候，处理完字符串准备做其他事情的时候，对于我们来说name的时候，处理完字符串准备做其他事情的时候，对于我们来说name就是可以回收的垃圾了，然而对于引擎来说，$name还是实打实存在的refcount也还是1，所以就不是垃圾，不能回收。当调用unset的时候，也并不一定引擎会认为它是一个垃圾而进行回收，主要还是看refcount是不是真的变为0了。

老版本php中如何产生内存泄漏垃圾？

产生内存泄漏主要真凶：环形引用。
现在来造一个环形引用的场景：

  1. <?php
  2.     $a = ['one'];
  3.     $a[] = &$a;
  4.     xdebug_debug_zval('a');

 

得到：

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<

这样 $a数组就有了两个元素，一个索引为0，值为one字符串，另一个索引为1，为$a自身的引用。

此时删掉$a:

  1. <?php
  2.     $a = ['one'];
  3.     $a[] = &$a;
  4.     unset($a);

 

如果在小于php5.3的版本就会出现一个问题：$a已经不在符号表了，没有变量再指向此zval容器，用户已无法访问，但是由于数组的refcount变为1而不是0，导致此部分内存不能被回收从而产生了内存泄漏。

5.3版本以后php是如何处理垃圾内存的？

判断处理过程

为解决环形引用导致的垃圾，产生了新的GC算法，遵守以下几个基本准则：

  1. 如果一个zval的refcount增加，那么此zval还在使用，不属于垃圾
  2. 如果一个zval的refcount减少到0， 那么zval可以被释放掉，不属于垃圾
  3. 如果一个zval的refcount减少之后大于0，那么此zval还不能被释放，此zval可能成为一个垃圾

are you ok?

来个白话文版：就是对此zval中的每个元素进行一次refcount减1操作，操作完成之后，如果zval的refcount=0，那么这个zval就是一个垃圾

引用php官方手册的配图：

  1. 为了避免每次变量的refcount减少的时候都调用GC的算法进行垃圾判断，此算法会先把所有前面准则3情况下的zval节点放入一个节点(root)缓冲区(root buffer)，并且将这些zval节点标记成紫色，同时算法必须确保每一个zval节点在缓冲区中之出现一次。当缓冲区被节点塞满的时候，GC才开始开始对缓冲区中的zval节点进行垃圾判断。
  2. 当缓冲区满了之后，算法以深度优先对每一个节点所包含的zval进行减1操作，为了确保不会对同一个zval的refcount重复执行减1操作，一旦zval的refcount减1之后会将zval标记成灰色。需要强调的是，这个步骤中，起初节点zval本身不做减1操作，但是如果节点zval中包含的zval又指向了节点zval（环形引用），那么这个时候需要对节点zval进行减1操作。
  3. 算法再次以深度优先判断每一个节点包含的zval的值，如果zval的refcount等于0，那么将其标记成白色(代表垃圾)，如果zval的refcount大于0，那么将对此zval以及其包含的zval进行refcount加1操作，这个是对非垃圾的还原操作，同时将这些zval的颜色变成黑色（zval的默认颜色属性）
  4. 遍历zval节点，将C中标记成白色的节点zval释放掉。

are you ok?

来个白话文版的：
例如：

  1. <?php
  2.     $a = ['one']; --- zval_a（将$a对应的zval，命名为zval_a）
  3.     $a[] = &$a; --- step1
  4.     unset($a);  --- step2

为进行unset之前(step1)，进行算法计算，对这个数组中的所有元素（索引0和索引1）的zval的refcount进行减1操作，由于索引1对应的就是zval_a，所以这个时候zval_a的refcount应该变成了1，这样说明zval_a不是一个垃圾不进行回收。

当执行unset的时候(step2)，进行算法计算，由于环形引用，上文得出会有垃圾的结构体，zval_a的refcount是1(zval_a中的索引1指向zval_a)，用算法对数组中的所有元素（索引0和索引1）的zval的refcount进行减1操作，这样zval_a的refcount就会变成0，于是就认为zval_a是一个需要回收的垃圾。

算法总的套路:对于一个包含环形引用的数组，对数组中包含的每个元素的zval进行减1操作，之后如果发现数组自身的zval的refcount变成了0，那么可以判断这个数组是一个垃圾。

算法优化配置

可能会发现，每次都进行这样的操作好像会影响性能，是的，php做事情套路都是走批量的原则。

申请内存也是申请一大块，仅使用当前的一小部分剩下的等下回再用，避免多次申请。

这个gc算法也是这样，会有一个缓冲区的概念，等缓冲区满了才会一次性去给清掉。

开关配置

php.ini中设置 zend.enable_gc 项来开启或则关闭GC。

缓冲区配置

缓冲区默认可以放10,000个节点，当缓冲区满了才会清理。可以通过修改Zend/zend_gc.c中的GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES 来改变这个数值，需要重新编译链接PHP

关键函数

gc_enable() : 开启GC

gc_disable() : 关闭GC

gc_collect_cycles() : 在节点缓冲区未满的情况下强制执行垃圾分析算法

涉及到垃圾回收的知识点

1.unset函数

unset只是断开一个变量到一块内存区域的连接，同时将该内存区域的引用计数-1；内存是否回收主要还是看refount是否到0了，以及gc算法判断。

2.= null 操作；

a=null是直接将a=null是直接将a 指向的数据结构置空，同时将其引用计数归0。

3.脚本执行结束

脚本执行结束，该脚本中使用的所有内存都会被释放，不论是否有引用环。

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