摘要：調(diào)用函數(shù)時(shí)，它將用戶釋放的內(nèi)存塊連接到空閑鏈上。這個(gè)聯(lián)合體共占用字節(jié)。是數(shù)字，且順序遞增位置固定，如訪問是的元素，即，就直接訪問數(shù)組的第個(gè)位置即可即，這樣就不需要前面的索引數(shù)組。

baiyan

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在PHP內(nèi)存管理1筆記中提到，malloc()函數(shù)會(huì)在分配的內(nèi)存空間前面額外分配32位，用來存儲(chǔ)分配的大小和幾個(gè)標(biāo)志位，如圖：

那么究竟是否是這樣的呢？我們寫一段測(cè)試代碼驗(yàn)證一下：

#include 
int main() {
    void *ptr = malloc(8);
    return 1;
}

利用gdb調(diào)試這段代碼：

首先打印ptr的地址，為0x602010，利用x命令往后看20個(gè)內(nèi)存單元（1個(gè)內(nèi)存單元 = 4個(gè)字節(jié)），故一共展示了80個(gè)字節(jié)，后面的x是以16進(jìn)制打印內(nèi)容。

我們發(fā)現(xiàn)緊鄰0x602010地址的上面32位均是0，沒有任何內(nèi)容，不符合我們的預(yù)期。

上圖只是一個(gè)最簡(jiǎn)單的思路，但絕大多數(shù)操作系統(tǒng)是按照如下的方式實(shí)現(xiàn)的：

操作系統(tǒng)中有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表。當(dāng)操作系統(tǒng)收到程序的申請(qǐng)時(shí)，就會(huì)遍歷該鏈表，然后就尋找第一個(gè)空間大于所申請(qǐng)空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后就將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給程序。malloc函數(shù)的實(shí)質(zhì)體現(xiàn)在，它有一個(gè)將可用的內(nèi)存塊連接為一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的列表的所謂空閑鏈表（Free List）。調(diào)用malloc函數(shù)時(shí)，它沿連接表尋找一個(gè)大到足以滿足用戶請(qǐng)求所需要的內(nèi)存塊(根據(jù)不同的算法而定（將最先找到的不小于申請(qǐng)的大小內(nèi)存塊分配給請(qǐng)求者，將最合適申請(qǐng)大小的空閑內(nèi)存分配給請(qǐng)求者，或者是分配最大的空閑塊內(nèi)存塊）。然后，將該內(nèi)存塊一分為二（一塊的大小與用戶請(qǐng)求的大小相等，另一塊的大小就是剩下的字節(jié)）。接下來，將分配給用戶的那塊內(nèi)存?zhèn)鹘o用戶，并將剩下的那塊（如果有的話）返回到連接表上。調(diào)用free函數(shù)時(shí)，它將用戶釋放的內(nèi)存塊連接到空閑鏈上。到最后，空閑鏈會(huì)被切成很多的小內(nèi)存片段，如果這時(shí)用戶申請(qǐng)一個(gè)大的內(nèi)存片段，那么空閑鏈上可能沒有可以滿足用戶要求的片段了。于是，malloc函數(shù)請(qǐng)求延時(shí)，并開始在空閑鏈上翻箱倒柜地檢查各內(nèi)存片段，對(duì)它們進(jìn)行整理，將相鄰的小空閑塊合并成較大的內(nèi)存塊。如果無法獲得符合要求的內(nèi)存塊，malloc函數(shù)會(huì)返回NULL指針，因此在調(diào)用malloc動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存塊時(shí)，一定要進(jìn)行返回值的判斷。

在PHP內(nèi)存管理2筆記中，我們談到了一種特殊情況：

在b是char類型的時(shí)候，a和b的內(nèi)存地址是緊鄰的；如果b是int類型的話，就會(huì)出現(xiàn)如圖所示的情況。我們可以這樣記憶：不看b之后的字段，a和b之前也是按照它們的最小公倍數(shù)對(duì)齊的（如果b是int類型，a和b的最小公倍數(shù)是4，按4對(duì)齊；如果b是char類型，最小公倍數(shù)為1，按1對(duì)齊，就會(huì)出現(xiàn)a和b緊鄰的情況）

如果不想對(duì)齊，有如下解決方案：

編譯的時(shí)候不加優(yōu)化參數(shù)

代碼層面：在struct后加關(guān)鍵字，例如redis中的sds簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)字符串的實(shí)現(xiàn)：

    struct __attribute__ ((packed)) sdshdr16 {
        uint16_t len;
        uint16_t alloc;
        unsigned char flags;
        char buf[];
    }

所有字段共用一段內(nèi)存，用于PHP中變量值的存儲(chǔ)（因?yàn)樽兞恐挥幸环N類型），也可以用來判斷機(jī)器的大小端問題。

宏就是替換。

關(guān)于下面這段代碼的復(fù)雜宏替換問題，在PHP內(nèi)存管理3筆記中已經(jīng)有詳細(xì)解釋，此處不再贅述。

#define _BIN_DATA_SIZE(num, size, elements, pages, x, y) size,
static const uint32_t bin_data_size[] = {
  ZEND_MM_BINS_INFO(_BIN_DATA_SIZE, x, y)
};

關(guān)于C語(yǔ)言宏定義中的##等特殊符號(hào)的用法，參考：#define宏定義中的#，##，@#， 這些符號(hào)的神奇用法

在PHP7中，所有變量都以zval結(jié)構(gòu)體來表示。一個(gè)zval是16字節(jié)；在PHP5中，一個(gè)zval是48字節(jié)。

struct _zval_struct {
    zend_value value;
    union u1;
    union u2;
};

存儲(chǔ)變量需要考慮兩個(gè)要素：值與類型。

在PHP7中，變量的值存在zend_value 這個(gè)聯(lián)合體中。只有整型和浮點(diǎn)型是直接存在zend_value中，其余類型都只存放了一個(gè)指向?qū)ｉT存放該類型的結(jié)構(gòu)體指針。這個(gè)聯(lián)合體共占用8字節(jié)。

typedef union _zend_value {
    zend_long         lval;    //整型
    double            dval;    //浮點(diǎn)
    zend_refcounted  *counted; //引用計(jì)數(shù)
    zend_string      *str; //字符串
    zend_array       *arr; //數(shù)組
    zend_object      *obj; //對(duì)象
    zend_resource    *res; //資源
    zend_reference   *ref; //引用
    zend_ast_ref     *ast; //抽象語(yǔ)法樹
    zval             *zv;  //內(nèi)部使用
    void             *ptr; //不確定類型，取出來之后強(qiáng)轉(zhuǎn)
    zend_class_entry *ce;  //類
    zend_function    *func;//函數(shù)
    struct {
        uint32_t w1;
        uint32_t w2;
    } ww; //這個(gè)union一共8B，這個(gè)結(jié)構(gòu)體每個(gè)字段都是4B，因?yàn)樗新?lián)合體字段共用一塊內(nèi)存，故相當(dāng)于取了一半的union
} zend_value;

在PHP7中，其變量的類型存放在zval中的u1聯(lián)合體中：

...
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    type,     /* 在這里用unsigned char存放PHP變量值的類型 */
                zend_uchar    type_flags,
                zend_uchar    const_flags,
                zend_uchar    reserved)        /* call info for EX(This) */
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u1;
...

PHP7中所有的變量類型：

/* regular data types */
#define IS_UNDEF                    0
#define IS_NULL                        1
#define IS_FALSE                    2
#define IS_TRUE                        3
#define IS_LONG                        4
#define IS_DOUBLE                    5
#define IS_STRING                    6
#define IS_ARRAY                    7
#define IS_OBJECT                    8
#define IS_RESOURCE                    9
#define IS_REFERENCE                10

/* constant expressions */
#define IS_CONSTANT                    11
#define IS_CONSTANT_AST                12

/* fake types */
#define _IS_BOOL                    13
#define IS_CALLABLE                    14
#define IS_ITERABLE                    19
#define IS_VOID                        18

/* internal types */
#define IS_INDIRECT                 15
#define IS_PTR                        17
#define _IS_ERROR                    20

設(shè)計(jì)字符串存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兩大要素：字符串值和長(zhǎng)度。

PHP7字符串存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：

struct _zend_string {
    zend_refcounted_h gc;         /*引用計(jì)數(shù)，與垃圾回收相關(guān)，暫不展開*/
    zend_ulong        h;          /* 冗余的hash值，計(jì)算數(shù)組key的哈希值時(shí)避免重復(fù)計(jì)算*/
    size_t            len;        /* 長(zhǎng)度 */
    char              val[1];     /* 柔性數(shù)組，真正存放字符串值 */
};

由為什么存長(zhǎng)度引申出二進(jìn)制安全的問題。二進(jìn)制安全：寫入的數(shù)據(jù)和讀出來的數(shù)據(jù)完全相同，就是二進(jìn)制安全的，詳情見PHP字符串筆記

看下面一段PHP代碼：

利用gdb調(diào)試這段代碼，觀察其引用計(jì)數(shù)情況。
在第一個(gè)echo語(yǔ)句處打斷點(diǎn)，并查看$a中zend_stinrg中的引用計(jì)數(shù)gc.refcount = 1(下簡(jiǎn)稱refcount)。因?yàn)楝F(xiàn)在只有一個(gè)$a引用zend_string。


利用gdb的c命令繼續(xù)運(yùn)行下一行PHP代碼$b = $a，然后觀察$a的zend_sting，我們發(fā)現(xiàn)$a引用的zend_string的refcount變?yōu)?：

查看此時(shí)的$b，發(fā)現(xiàn)引用的zend_string的refcount也是2，且地址均是0x7ffff5e6b0f0，說明$a與$b所引用的是同一個(gè)zend_string。

此時(shí)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)如圖所示：


這樣做的優(yōu)點(diǎn)就是僅僅需要1個(gè)zend_string就可以存儲(chǔ)兩個(gè)PHP變量的值，而不是2個(gè)zend_string，節(jié)省了1個(gè)zend_string的內(nèi)存空間。
那么我們看接下來$b = "new string"，這樣的話，$a和$b由于存儲(chǔ)的內(nèi)容不同，故不可以繼續(xù)引用同一個(gè)zend_string，這時(shí)就會(huì)發(fā)生寫時(shí)復(fù)制。我們繼續(xù)gdb調(diào)試，看一下是否符合預(yù)期：
給$b賦值后，觀察$a的存儲(chǔ)情況：


我們看到，此時(shí)$a所指向的zend_string的refcount變?yōu)榱?，接下來再看一下$b的存儲(chǔ)情況：


注意此時(shí)$b所指向的zend_string的refcount變?yōu)榱?（注意這里為什么是0而不是1呢？下面會(huì)講），而且b指向的zend_string的地址為0x7ffff5e6a5c8，與$a所指向的zend_string的地址0x7ffff5e6b0f0不同，說明發(fā)生了寫時(shí)復(fù)制，即由于字符串值的改變，被迫生成了一個(gè)新的zend_string結(jié)構(gòu)體，用來專門存儲(chǔ)$b的值；而$a指向的zend_string只是refcount減少了1，其余并未發(fā)生變化。

那么為什么$b所指向的zend_string的refcount是0呢，我們先給PHP中的字符串分個(gè)類：


常量字符串：在PHP代碼中硬編碼的字符串，在編譯階段初始化，存儲(chǔ)在全局變量表中，refcount一直為0，其在請(qǐng)求結(jié)束之后才被銷毀(方便重復(fù)利用)。

臨時(shí)字符串：計(jì)算出來的臨時(shí)字符串，是執(zhí)行階段經(jīng)過zend虛擬機(jī)執(zhí)行opcode計(jì)算出來的字符串，存儲(chǔ)在臨時(shí)變量區(qū)。


我們舉一個(gè)例子：



這里$a由于調(diào)用了time()函數(shù)，所以最終的值是不確定的，是臨時(shí)字符串。
$b也可以叫做字面量，是被硬編碼在PHP代碼中的，是常量字符串。
我們畫一下最終$a與$b的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖：


由此我們可以清晰地看到，$a與$b不在引用同一個(gè)zend_string。那么我們給寫時(shí)復(fù)制下一個(gè)定義：給$b重新賦值而導(dǎo)致不能與$a共用一個(gè)zend_string的現(xiàn)象，叫做寫時(shí)復(fù)制。
PHP7中的數(shù)組
PHP7中的數(shù)組是一個(gè)hashtable，key-value對(duì)存儲(chǔ)于bucket中。

PHP7數(shù)組基本結(jié)構(gòu)：
struct _zend_array {
    zend_refcounted_h gc;
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    flags,
                zend_uchar    nApplyCount,
                zend_uchar    nIteratorsCount,
                zend_uchar    consistency)
        } v;
        uint32_t flags;
    } u;
    uint32_t          nTableMask;       //數(shù)組大小減一，用來做或運(yùn)算，packed array初始值是-2，hash array初始值是-8
    Bucket            *arData;          //指針，指向?qū)嶋H存儲(chǔ)數(shù)組元素的bucket
    uint32_t          nNumUsed;         //使用了多少bucket，但是unset的時(shí)候這個(gè)值不減少
    uint32_t          nNumOfElements;   //真正有多少元素，unset的時(shí)候會(huì)減少
    uint32_t          nTableSize;       //bucket的個(gè)數(shù)
    uint32_t          nInternalPointer;
    zend_long         nNextFreeElement; //支持$arr[] = 1;語(yǔ)法，沒插入1個(gè)元素就會(huì)遞增1
    dtor_func_t       pDestructor;
};

typedef struct _zend_array HashTable;
此結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)圖如下：

思考：為什么要存儲(chǔ)gc字段？因?yàn)間c字段冗余存儲(chǔ)了變量的類型，給任意一個(gè)變量，把它強(qiáng)轉(zhuǎn)成zend_refcounted_h類型，都可以拿到它的類型，zend_refcounted_h類型結(jié)構(gòu)如下：
typedef struct _zend_refcounted_h {
    uint32_t         refcount;            /* 引用計(jì)數(shù) */
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_3(
                zend_uchar    type,
                zend_uchar    flags,    /* used for strings & objects */
                uint16_t      gc_info)  /* keeps GC root number (or 0) and color */
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u;
} zend_refcounted_h;

進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換之后，通過取該變量的u.type字段，就可以拿到當(dāng)前變量的類型了。
我們接著看一下bucket的結(jié)構(gòu)：

typedef struct _Bucket {
    zval              val;   //元素的值，注意這里直接存了zval而不是一個(gè)zval指針
    zend_ulong        h;     //冗余的哈希值，避免重復(fù)計(jì)算哈希值
    zend_string      *key;   //元素的key值，指向一個(gè)zend_string結(jié)構(gòu)體
} Bucket;

思考如果利用$arr[] = 1;語(yǔ)法進(jìn)行數(shù)組賦值，key字段的值是多少？答案是0x0，就是一個(gè)空指針。
hashtable的問題：哈希沖突，解決沖突的方法有開放定制法和鏈地址法，常用的是鏈地址法。
PHP7中并沒有采用真正的鏈表結(jié)構(gòu)，而是利用數(shù)組模擬鏈表。這個(gè)時(shí)候需要在Bucket數(shù)組之前額外開辟一段內(nèi)存空間（叫做索引數(shù)組，每個(gè)索引數(shù)組的單元叫一個(gè)slot），來存儲(chǔ)同一hash值的第一個(gè)bucket的索引下標(biāo)。

看一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)組查找過程：

經(jīng)過time33哈希算法算出哈希值h
計(jì)算出索引數(shù)組的nIndex = h | nTableMask = -7（假設(shè)），這個(gè)nIndex也別稱做slot
訪問索引數(shù)組，取出索引為-7位置上的元素值為3
訪問bucket數(shù)組，取出索引為3位置上的key，為x，發(fā)現(xiàn)并不等于s，那么繼續(xù)查找，訪問val.u2.next指針，為2
取出索引為2位置上的key，為s，發(fā)現(xiàn)正好是我們要找的那個(gè)key
取出對(duì)應(yīng)的val值3


注意如果bucket的存儲(chǔ)空間滿了，需要重新計(jì)算和nIndex（即slot）的值并將值放到正確的bucket位置上，這個(gè)過程也叫做rehash。
具體的插入過程詳見PHP基本變量筆記的文章末尾。

PHP7中的數(shù)組分為兩種：packed array與hash array。


packed array：

key是數(shù)字，且順序遞增
位置固定，如訪問key是0的元素，即$arr1[0]，就直接訪問bucket數(shù)組的第0個(gè)位置即可（即arData[0]），這樣就不需要前面的索引數(shù)組。


如果不滿足上述條件，就是hash array