摘要：本文將要講述發(fā)展歷程中的垃圾回收及內(nèi)存管理相關(guān)內(nèi)容，文末給出發(fā)展在各個(gè)階段有關(guān)內(nèi)存管理及垃圾回收內(nèi)核參考資料值得閱讀。引用計(jì)數(shù)在及以前的版本中，的垃圾回收采用的是引用計(jì)數(shù)算法。回收周期當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，對緩沖區(qū)中的所有可能根進(jìn)行垃圾回收處理。

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本文將要講述 PHP 發(fā)展歷程中的垃圾回收及內(nèi)存管理相關(guān)內(nèi)容，文末給出 PHP 發(fā)展在各個(gè)階段有關(guān)內(nèi)存管理及垃圾回收（內(nèi)核）參考資料值得閱讀。

在 PHP 5.2 及以前的版本中，PHP 的垃圾回收采用的是 引用計(jì)數(shù) 算法。

引用計(jì)數(shù)基礎(chǔ)知識

php 的變量存儲在「zval」變量容器（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）中，「zval」屬性包含如下信息：

當(dāng)前變量的數(shù)據(jù)類型；

當(dāng)前變量的值；

用于標(biāo)識變量是否為引用傳遞的 is_ref 布爾類型標(biāo)識；

指向該「zval」變量容器的變量個(gè)數(shù)的 refcount 標(biāo)識符（即這個(gè) zval 被引用的次數(shù)，注意這里的引用不是指引用傳值，注意區(qū)分）。

當(dāng)一個(gè)變量被賦值時(shí)，就會生成一個(gè)對應(yīng)的「zavl」變量容器。

要查看變量的「zval」容器信息（即查看變量的 is_ref 和 refcount），可以使用 XDebug 調(diào)試工具的 xdebug_debug_zval() 函數(shù)。

安裝 XDebug 擴(kuò)展插件的方法可以查看 這個(gè)教程，有關(guān)XDebug 使用方法請閱讀 官方文檔。

假設(shè)，我們已經(jīng)成功安裝好 XDebug 工具，現(xiàn)在就可以來對變量進(jìn)行調(diào)試了。

查看普通變量的 zval 信息

如果我們的 PHP 語句只是對變量進(jìn)行簡單賦值時(shí)，is_ref 標(biāo)識值為 0，refcount 值為 1；若將這個(gè)變量作為值賦值給另一個(gè)變量時(shí)，則增加 zval 變量容器的 refcount 計(jì)數(shù)；同理，銷毀（unset）變量時(shí)，「refcount」相應(yīng)的減去 1。

請看下面的示例：

寫時(shí)復(fù)制
寫時(shí)復(fù)制（Copy On Write：COW），簡單描述為：如果通過賦值的方式賦值給變量時(shí)不會申請新內(nèi)存來存放新變量所保存的值，而是簡單的通過一個(gè)計(jì)數(shù)器來共用內(nèi)存，只有在其中的一個(gè)引用指向變量的值發(fā)生變化時(shí)，才申請新空間來保存值內(nèi)容以減少對內(nèi)存的占用。 - TPIP 寫時(shí)復(fù)制

通過前面的簡單變量的 zval 信息我們知道 $copy 和 $name 共用 zval 變量容器（內(nèi)存），然后通過 refcount 來表示當(dāng)前這個(gè) zval 被多少個(gè)變量使用。
看個(gè)實(shí)例：

注意到?jīng)]有，當(dāng)將值 liugongzi handsome 賦值給變量 $copy 時(shí)，name 和 copy 的 refcount 值都變成了 1，在這個(gè)過程中發(fā)生以下幾個(gè)操作：

將 $copy 從 $name 的 zval（內(nèi)從）中分離出來（即復(fù)制）；
將 $name 的 refcount 減去 1；
對 $copy 的 zval 進(jìn)行修改（重新賦值和修改 refcount）；

這里只是簡單對「寫時(shí)復(fù)制」進(jìn)行介紹，感興趣的朋友可以閱讀文末給出的參考資料進(jìn)行更加深入的研究。
查看引用傳遞變量的 zval 信息
引用傳值（&）的「引用計(jì)數(shù)」規(guī)則同普通賦值語句一樣，只是 is_ref 標(biāo)識的值為 1 表示該變量是引用傳值類型。
我們現(xiàn)在來看看引用傳值的示例：

復(fù)合類型的引用計(jì)數(shù)
與標(biāo)量類型（整型、浮點(diǎn)型、布爾型等）不同，數(shù)組（array）和對象（object）這種符合類型的引用計(jì)數(shù)規(guī)則會稍復(fù)雜一些。
為了更好的說明，還是先看看數(shù)組的引用計(jì)數(shù)示例：
$a = array( "meaning" => "life", "number" => 42 );
xdebug_debug_zval( "a" );

// a:
// (refcount=1, is_ref=0)
// array (size=2)
//  "meaning" => (refcount=1, is_ref=0)string "life" (length=4)
//  "number" => (refcount=1, is_ref=0)int 42
上面的引用計(jì)數(shù)示意圖如下：

從圖中我們發(fā)現(xiàn)復(fù)合類型的引用計(jì)數(shù)規(guī)則基本上同標(biāo)量的計(jì)數(shù)規(guī)則一樣，就給出的示例來說，PHP 會創(chuàng)建 3 個(gè) zval 變量容器，一個(gè)用于存儲數(shù)組本身，另外兩個(gè)用于存儲數(shù)組中的元素。
添加一個(gè)已經(jīng)存在的元素到數(shù)組中時(shí)，它的引用計(jì)數(shù)器 refcount 會增加 1。
$a = array( "meaning" => "life", "number" => 42 );
xdebug_debug_zval( "a" );
$a["life"] = $a["meaning"];
xdebug_debug_zval( "a" );

// a:
// (refcount=1, is_ref=0)
// array (size=3)
//  "meaning" => (refcount=2, is_ref=0)string "life" (length=4)
//  "number" => (refcount=0, is_ref=0)int 42
//  "life" => (refcount=2, is_ref=0)string "life" (length=4)
大致示意圖如下：
。
內(nèi)存泄露
雖然，復(fù)合類型的引用計(jì)數(shù)規(guī)則同標(biāo)量類型大致相同，但是如果引用的值為變量自身（即循環(huán)應(yīng)用），在處理不當(dāng)時(shí)，就有可能會造成內(nèi)存泄露的問題。
讓我們來看看下面這個(gè)對數(shù)組進(jìn)行引用傳值的示例：

從內(nèi)存占用結(jié)果上看，雖然我們執(zhí)行了 unset($a) 方法來銷毀 $a 數(shù)組，但內(nèi)存并沒有被回收，整個(gè)處理過程的示意圖如下：

可以看到對于這塊內(nèi)存，再也沒有符合表（變量）指向了，所以 PHP 無法完成內(nèi)存回收，官方給出的解釋如下：
盡管不再有某個(gè)作用域中的任何符號指向這個(gè)結(jié)構(gòu) (就是變量容器)，由于數(shù)組元素 “1” 仍然指向數(shù)組本身，所以這個(gè)容器不能被清除 。因?yàn)闆]有另外的符號指向它，用戶沒有辦法清除這個(gè)結(jié)構(gòu)，結(jié)果就會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。慶幸的是，php 將在腳本執(zhí)行結(jié)束時(shí)清除這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但是在 php 清除之前，將耗費(fèi)不少內(nèi)存。如果你要實(shí)現(xiàn)分析算法，或者要做其他像一個(gè)子元素指向它的父元素這樣的事情，這種情況就會經(jīng)常發(fā)生。當(dāng)然，同樣的情況也會發(fā)生在對象上，實(shí)際上對象更有可能出現(xiàn)這種情況，因?yàn)閷ο罂偸请[式的被引用。 - 摘自 官方文檔 Cleanup Problems

簡單來說就是「引用計(jì)數(shù)」算法無法檢測并釋放循環(huán)引用所使用的內(nèi)存，最終導(dǎo)致內(nèi)存泄露。
引用計(jì)數(shù)系統(tǒng)的同步周期回收
由于引用計(jì)數(shù)算法存在無法回收循環(huán)應(yīng)用導(dǎo)致的內(nèi)存泄露問題，在 PHP 5.3 之后對內(nèi)存回收的實(shí)現(xiàn)做了優(yōu)化，通過采用 引用計(jì)數(shù)系統(tǒng)的同步周期回收 算法實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理。引用計(jì)數(shù)系統(tǒng)的同步周期回收算法是一個(gè)改良版本的引用計(jì)數(shù)算法，它在引用基礎(chǔ)上做出了如下幾個(gè)方面的增強(qiáng)：

引入了可能根（possible root）的概念：通過引用計(jì)數(shù)相關(guān)學(xué)習(xí)，我們知道如果一個(gè)變量（zval）被引用，要么是被全局符號表中的符號引用（即變量），要么被復(fù)雜類型（如數(shù)組）的 zval 中的符號（數(shù)組的元素）引用，那么這個(gè) zval 變量容器就是「可能根」。
引入根緩沖區(qū)（root buffer）的概念：根緩沖區(qū)用于存放所有「可能根」，它是固定大小的，默認(rèn)可存 10000 個(gè)可能根，如需修改可以通過修改 PHP 源碼文件 Zend/zend_gc.c 中的常量 GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES，再重新編譯。
回收周期：當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，對緩沖區(qū)中的所有可能根進(jìn)行垃圾回收處理。

下圖（來自 PHP 手冊）,展示了新的回收算法執(zhí)行過程：

引用計(jì)數(shù)系統(tǒng)的同步周期回收過程

緩沖區(qū)（紫色框部分，稱為疑似垃圾），存儲所有可能根（步驟 A）；
采用深度優(yōu)先算法遍歷「根緩沖區(qū)」中所有的「可能根（即 zval 遍歷容器）」，并對每個(gè) zval 的 refcount 減 1，為了避免遍歷時(shí)對同一個(gè) zval 多次減 1（因?yàn)椴煌母赡鼙闅v到同一個(gè) zval）將這個(gè) zvel 標(biāo)記為「已減」（步驟 B）；
再次采用深度優(yōu)先遍歷算法遍歷「可能根 zval」。當(dāng) zval 的 refcount 值不為 0 時(shí)，對其加 1,否則保持為 0。并請已遍歷的 zval 變量容器標(biāo)記為「已恢復(fù)」（即步驟 B 的逆運(yùn)算）。那些 zval 的 refcount 值為 0 （藍(lán)色框標(biāo)記）的就是應(yīng)該被回收的變量（步驟 C）；
刪除所有 refcount 為 0 的可能根（步驟 D）。

整個(gè)過程為：
采用深度優(yōu)先算法執(zhí)行：默認(rèn)刪除 > 模擬恢復(fù) > 執(zhí)行刪除 達(dá)到內(nèi)存回收的目的。
優(yōu)化后的引用計(jì)數(shù)算法優(yōu)勢

將內(nèi)存泄露控制在閥值內(nèi)，這個(gè)由緩存區(qū)實(shí)現(xiàn)，達(dá)到緩沖區(qū)大小執(zhí)行新一輪垃圾回收；
提升了垃圾回收性能，不是每次 refcount 減 1 都執(zhí)行回收處理，而是等到根緩沖區(qū)滿時(shí)才開始執(zhí)行垃圾回收。

你可以從 PHP 手冊 的回收周期 了解更多，也可以閱讀文末給出的參考資料。
PHP 7 的內(nèi)存管理
PHP 5 中 zval 實(shí)現(xiàn)上的主要問題：

zval 總是多帶帶 從堆中分配內(nèi)存；
zval 總是存儲引用計(jì)數(shù)和循環(huán)回收 的信息，即使是整型（bool / null）這種可能并不需要此類信息的數(shù)據(jù)；
在使用對象或者資源時(shí)，直接引用會導(dǎo)致兩次計(jì)數(shù)；
某些間接訪問需要一個(gè)更好的處理方式。比如現(xiàn)在訪問存儲在變量中的對象間接使用了四個(gè)指針（指針鏈的長度為四）；
直接計(jì)數(shù)也就意味著數(shù)值只能在 zval 之間共享。如果想在 zval 和 hashtable key 之間共享一個(gè)字符串就不行（除非 hashtable key 也是 zval）。

PHP 7 中的 zval 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的調(diào)整：
最基礎(chǔ)的變化就是 zval 需要的內(nèi)存 不再是多帶帶從堆上分配，不再由 zval 存儲引用計(jì)數(shù)。
復(fù)雜數(shù)據(jù)類型（比如字符串、數(shù)組和對象）的引用計(jì)數(shù)由其自身來存儲。 - 摘自 Internal value representation in PHP 7 - Part 1【譯】
這種實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢：

簡單數(shù)據(jù)類型不需要多帶帶分配內(nèi)存，也不需要計(jì)數(shù)；
不會再有兩次計(jì)數(shù)的情況。在對象中，只有對象自身存儲的計(jì)數(shù)是有效的；
由于現(xiàn)在計(jì)數(shù)由數(shù)值自身存儲（PHP 有 zval 變量容器存儲），所以也就可以和非 zval 結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)共享，比如 zval 和 hashtable key 之間；
間接訪問需要的指針數(shù)減少了。

更具體的有關(guān) PHP 7 zval 實(shí)現(xiàn)和內(nèi)存優(yōu)化細(xì)節(jié)可以閱讀 深入理解 PHP7 內(nèi)核之 zval 和 Internal value representation in PHP 7 - Part 1譯。
參考資料
深入理解 PHP7 內(nèi)核之 zval
Internal value representation in PHP 7 - Part 1【譯】
Internal value representation in PHP 7 - Part 2【譯】
TPIP：第六節(jié) 寫時(shí)復(fù)制（Copy On Write）
TPIP：內(nèi)存管理
PHP7 內(nèi)核之 zval
淺談 PHP5 中垃圾回收算法 (Garbage Collection) 的演化
Confusion about PHP 7 refcount
引用計(jì)數(shù)系統(tǒng)中的同步周期回收 (Concurrent Cycle Collection in Reference Counted Systems) 論文
PHP7 革新與性能優(yōu)化