2. 引用計數 · PHP擴展開發及內核應用

# 3.2 引用計數對于PHP這種需要同時處理多個請求的程序來說，申請和釋放內存的時候應該慎之又慎，一不小心便會釀成大錯。另一方面，除了要安全的申請和釋放內存外，還應該做到內存的最小化使用，因為它可能要處理每秒鐘數以千計的請求，為了提高系統整體的性能，每一次操作都應該只使用最少的內存，對于不必要的相同數據的復制則應該能免則免。我們來看下面這段PHP代碼： ````php <?php $a = 'Hello World'; $b = $a; unset($a); ```` 第一條語句執行后，PHP創建了$a這個變量，并為它申請了12B的內存來存放"hello world"這個字符串（最后加個NULL字符，你懂的）。緊接著把$a賦給了$b，并釋放掉$a; 對于PHP來說，如果每一次變量賦值都執行一次內存復制的話，那需要額外申請12B的內存來存放這個重復的數據,當然為了復制內存，還需要cpu執行某些計算，這當然會加重cpu的負載。當第三句執行后，$a被釋放了，我們剛才的設想突然變的這么滑稽，這次賦值顯得好多余哦。如果早就知道$a不用了，那我們直接讓$b用$a的內存不就行了，還賦值干嘛？如果你覺得12B沒什么，那設想下如果$a是個10M的文件內容，或者20M，是不是我們的計算機資源消耗的有點冤枉呢？別擔心，PHP很聰明！前面章節說過，PHP變量的名稱和值在內核中是保存在兩個不同的地方的，值是通過一個與名字毫無關系的zval結構來保存，而這個變量的名字a則保存在符號表里，兩者之間通過指針聯系著。在我們上面的例子里，$a是一個字符串，我們通過zend_hash_add把它添加到符號表里，然后又把它賦值給$b,兩者擁有相同的內容！如果兩者指向完全相同的內容，我們有什么優化措施嗎？ ````c zval *helloval; MAKE_STD_ZVAL(helloval); ZVAL_STRING(helloval, "Hello World", 1); zend_hash_add(EG(active_symbol_table), "a", sizeof("a"),&helloval, sizeof(zval*), NULL); zend_hash_add(EG(active_symbol_table), "b", sizeof("b"),&helloval, sizeof(zval*), NULL); //通過這個例子我們看出了，我們可以把$a和$b都指向helloval~! ```` 現在我們檢查$a和$b兩個變量，他們的值指向了"hello world"這個字符串在內存中的位置。但是在第三行：unset($a);這條語句釋放了$a。在這種情況下，unset函數并不知道$a的值同時被$b用著，所以如果它直接釋放內存，則會導致$b的值也被清空了，從而導致邏輯錯誤，甚至可能會導致系統崩潰。呵呵，其實你心里明白，PHP不會讓上述問題發生的！回顧一下zval的四個成員value、type、is_ref__gc、refcount__gc，我們對value和type已經很熟了，現在則是后兩個成員發揮威力的時候了，這里我們主要講解refcount__gc這個成員。當一個變量被第一次創建的時候，它對應的zval結構體的refcount__gc成員的值會被初始化為1，理由很簡單，因為只有這個變量自己在用它。但是當你把這個變量賦值給別的變量時，refcount__gc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！以上描述轉為內核中的代碼大體如下： ````c zval *helloval; MAKE_STD_ZVAL(helloval); ZVAL_STRING(helloval, "Hello World", 1); zend_hash_add(EG(active_symbol_table), "a", sizeof("a"),&helloval, sizeof(zval*), NULL); ZVAL_ADDREF(helloval); //這句很特殊，我們顯式的增加了helloval結構體的refcount zend_hash_add(EG(active_symbol_table), "b", sizeof("b"),&helloval, sizeof(zval*), NULL); ```` 這個時候當我們再用unset刪除$a的時候，它刪除符號表里的$a的信息，然后清理它的值部分，這時它發現$a的值對應的zval結構的refcount值是2，也就是有另外一個變量在一起用著這個zval，所以unset只需把這個zval的refcount減去1就行了！ ### 寫時復制機制引用計數絕對是節省內存的一個超棒的模式！但是當我們修改$b的值，而且還需要繼續使用$a時，該怎么辦呢？ ````c $a = 1; $b = $a; $b += 5; ```` 從代碼邏輯來看，我們希望語句執行后$a仍然是1，而$b則需要變成6。我們知道在第二句完成后內核通過讓$a和$b共享一個zval結構來達到節省內存的目的，但是現在第三句來了，這時$b的改變應該怎樣在內核中實現呢？答案非常簡單，內核首先查看refcount__gc屬性，如果它大于1則為這個變化的變量從原zval結構中復制出一份新的專屬與$b的zval來，并改變其值。 ````c zval *get_var_and_separate(char *varname, int varname_len TSRMLS_DC) { zval **varval, *varcopy; if (zend_hash_find(EG(active_symbol_table),varname, varname_len + 1, (void**)&varval) == FAILURE) { /* 如果在符號表里找不到這個變量則直接return */ return NULL; } if ((*varval)->refcount < 2) { //如果這個變量的zval部分的refcount小于2，代表沒有別的變量在用，return return *varval; } /* 否則，復制一份zval*的值 */ MAKE_STD_ZVAL(varcopy); varcopy = *varval; /* 復制任何在zval*內已分配的結構*/ zval_copy_ctor(varcopy); /* 從符號表中刪除原來的變量 * 這將減少該過程中varval的refcount的值 */ zend_hash_del(EG(active_symbol_table), varname, varname_len + 1); /* 初始化新的zval的refcount，并在符號表中重新添加此變量信息，并將其值與我們的新zval相關聯。*/ varcopy->refcount = 1; varcopy->is_ref = 0; zend_hash_add(EG(active_symbol_table), varname, varname_len + 1,&varcopy, sizeof(zval*), NULL); /* 返回新zval的地址 */ return varcopy; } ```` 現在$b變量擁有了自己的zval，并且可以自由的修改它的值了。 ### Change on Write 如果用戶在PHP腳本中顯式的讓一個變量引用另一個變量時，我們的內核是如何處理的呢？ <pre> $a = 1; $b = &$a; $b += 5; </pre> 作為一個標準的PHP程序猿，我們都知道$a的值也變成6了。當我們更改$b的值時，內核發現$b是$a的一個用戶端引用，也就是所它可以直接改變$b對應的zval的值，而無需再為它生成一個新的不同與$a的zval。因為他知道$a和$b都想得到這次變化！但是內核是怎么知道這一切的呢？簡單的講，它是通過zval的is_ref__gc成員來獲取這些信息的。這個成員只有兩個值，就像開關的開與關一樣。它的這兩個狀態代表著它是否是一個用戶在PHP語言中定義的引用。在第一條語句($a = 1;)執行完畢后,$a對應的zval的refcount__gc等于1，is_ref__gc等于0;。當第二條語句執行后($b = &$a;)，refcount__gc屬性向往常一樣增長為2，而且is_ref__gc屬性也同時變為了1！最后，在執行第三條語句的時候，內核再次檢查$b的zval以確定是否需要復制出一份新的zval結構來，這次不需要復制，因為我們剛才上面的get_var_and_separate函數其實是個簡化版，并且少寫了一個條件： ````c /* 如果這個zval在php語言中是通過引用的形式存在的，或者它的refcount小于2，則不需要復制。*/ if ((*varval)->is_ref || (*varval)->refcount < 2) { return *varval; } ```` 這一次，盡管它的refcount等于2，但是因為它的is_ref等于1，所以也不會被復制。內核會直接的修改這個zval的值。 ### Separation Anxiety 我們已經了解了php語言中變量的復制和引用的一些事，但是如果復制和引用這兩個事件被組合起來使用了該怎么辦呢？看下面這段代碼： ````php $a = 1; $b = $a; $c = &$a; ```` 這里我們可以看到,$a,$b,$c這三個變量現在共用一個zval結構，有兩個屬于change-on-write組合($a,$c),有兩個屬于copy-on-write組合($a,$b),我們的is_ref__gc和refcount__gc該怎樣工作，才能正確的處理好這段復雜的關系呢？ The answer is: 不可能！在這種情況下，變量的值必須分離成兩份完全獨立的存在！$a與$c共用一個zval,$b自己用一個zval，盡管他們擁有同樣的值，但是必須至少通過兩個zval來實現。見圖3.2【在引用時強制復制！】 <p style="text-align:center"><img src="http://www.walu.cc/phpbook/image/03fig02.jpg" /></p> 同樣，下面的這段代碼同樣會在內核中產生歧義，所以需要強制復制！ ````php //上圖對應的代碼 $a = 1; $b = &$a; $c = $a; ```` 圖3.3： <p style="text-align:center"><img src="http://www.walu.cc/phpbook/image/03fig03.jpg" /></p> 需要注意的是，在這兩種情況下，$b都與原初的zval相關聯，因為當復制發生時，內核還不知道第三個變量的名字。 ## links * 3.1 [內存管理](<3.1.md>) * 3.3 [3.3 第三章總結](<3.3.md>)