PHP--淺談垃圾回收機制

前言

大多數編程語言都會有自身的垃圾回收機制，php也不例外。常常聽不少人說gc，也就是垃圾回收器，全程爲Garbage Collection。

在php5.3以前，是不包括垃圾回收機制的，也沒有專門的垃圾回收器，實現垃圾回收就是簡單判斷一下變量的zval的refcount是否爲0，是的話就釋放。

可是若是這麼簡單的判斷垃圾回收的話，很容易引發程序過程當中內存溢出。若是存在"自身指向自身"的狀況的話，那麼變量將沒法回收早成內存泄露，因此從php5.3開始就出現了專門負責清理垃圾數據防止內存泄露的垃圾回收器。

 

引用計數的基本知識

咱們要了解GC，那麼首先要了解引發垃圾回收的基數是什麼。

在php中，每一個變量存在一個叫「zval」的變量容器中。一個zval變量容器，除了包含變量的類型和值，還包括另外兩個字節的額外信息。第一個是"is_ref"。第二個是"refcount"。

is_ref是一個布爾類型的值，用來標示這個變量是否屬於引用集合。經過這個字節，php引擎才能把普通變量和引用變量區分開來，因爲php容許用戶經過"&"來使用自定義的引用，因此zval中還有一個內部引用計數機制，來進行優化內存。

refcount用來表示這個zval變量容器的變量的個數。全部符號存在一個符號表當中，每一個符號都有做用域。

通俗的講：

一、 refcount就是多少個變量是同樣的用了相同的值，那麼refcount就是這個值

二、 is_ref就是當有變量用了&的形式進行賦值，那麼is_ref的值就會增長

<?php$a = "new string"; ?>

在上面的代碼中，變量a是在當前做用於中生成的，而且生成了類型爲String和值爲"new string"的變量容器。這個時候is_ref被默認的設置成了false，由於如今沒有任何自定義的引用生成。refcount被設置成了1。咱們能夠用php來看到這些計數的變化，首先須要用到xdebug，因此php沒有裝上xdebug擴展的須要先裝一下。

<?php

$a = "new string"; xdebug_debug_zval('a');

輸出：a: (refcount=1, is_ref=0)='new string'

?>

增長zval的引用計數

<?php

$a = "new string";

$b = $a;

xdebug_debug_zval( 'a' );  輸出：a: (refcount=2, is_ref=0)='new string'

?>

 

這時的引用次數是2，由於同一個變量容器被變量 a 和變量 b關聯.當不必時，php不會去複製已生成的變量容器。變量容器在」refcount「變成0時就被銷燬. 當任何關聯到某個變量容器的變量離開它的做用域(好比：函數執行結束)，或者對變量調用了函數 unset()時，」refcount「就會減1。

減小引用計數

<?php

$a = "new string";

$c = $b = $a;

xdebug_debug_zval( 'a' );

unset( $b, $c );

xdebug_debug_zval( 'a' ); 

輸出： a: (refcount=3, is_ref=0)='new string' a: (refcount=1, is_ref=0)='new string'

?>

 

執行 unset($a);，包含類型和值的這個變量容器就會從內存中刪除。

複合類型

當變量的類型爲array或object這樣的複合類型時，array和object類型的變量把他們的成員或屬性存在本身的符號表中。

<?php

$a = array( 'meaning' => 'life', 'number' => 42 );

xdebug_debug_zval( 'a' ); 

輸出： a: (refcount=1, is_ref=0)=array (    'meaning' => (refcount=1, is_ref=0)='life',    'number' => (refcount=1, is_ref=0)=42 )

?>

根據上面的代碼，咱們能夠理解，對於數組來當作一個總體，對於內部的值來看又是一個獨立的總體，各自都有着一套zval的refcount和is_ref。下面這張圖是從官網上扒下來的：

添加一個已經存在的元素到數組中：

 

<?php

$a = array( 'meaning' => 'life', 'number' => 42 );

$a['life'] = $a['meaning']; xdebug_debug_zval( 'a' );

輸出： a: (refcount=1, is_ref=0)=array (    'meaning' => (refcount=2, is_ref=0)='life',    'number' => (refcount=1, is_ref=0)=42,    'life' => (refcount=2, is_ref=0)='life' )

?>

 

以下圖解釋：

從數組中刪除一個元素：

<?php

$a = array( 'meaning' => 'life', 'number' => 42 );

$a['life'] = $a['meaning'];unset( $a['meaning'], $a['number'] );

xdebug_debug_zval( 'a' );

輸出： a: (refcount=1, is_ref=0)=array (    'life' => (refcount=1, is_ref=0)='life' ) ?>

 

刪除數組中一個元素，就是相似從做用於中刪除一個變量，刪除後數組中這個元素所在容器的refcount的值減小，當refcount爲0時，這個變量容器就從內存中被刪除。 

將數組做爲一個元素添加給自身：

 

<?php

$a = array( 'one' );

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

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

?>

 

咱們能夠看到數組a同時也是這個數組第二個元素,指向的變量容器中refcount的值爲2，上面輸出的「...」說明發生了遞歸操做，意味着"..."指向原始數組。

儘管再也不有某個做用域中的任何符號指向這個結構(就是變量容器)，因爲數組元素「1」仍然指向數組自己，因此這個容器不能被清除 。由於沒有另外的符號指向它，用戶沒有辦法清除這個結構，結果就會致使內存泄漏。

 

垃圾回收週期

在5.3以前的版本中，php沒法處理循環的引用內存泄露。可是自5.3以後php使用引用計數系統中同步週期回收的同步算法，僅處理這個內存泄露問題。

基本思想是若是一個引用計數增長那麼將繼續被使用，固然就再也不是垃圾。若是引用計數減小到零，所在變量容器將被清除。那麼也就是說只有在引用計數減小到非零值時，纔會產生垃圾週期。在一個垃圾週期中經過檢查引用計數是否減1，而且檢查哪些變量容器的引用次數爲零，來發現哪些是垃圾。

 

咱們就拿這張圖舉例(來自php官網)。爲了不不得不檢查全部引用計數可能減小的垃圾週期，同步算法將全部可能根放在了根緩衝區(root buffer)中(在圖中用紫色來標記，稱爲疑似垃圾)，這樣能夠同時確保每一個可能的垃圾根在緩衝區中只出現一次。僅當根緩衝區滿了時，纔對緩衝區中全部不一樣的變量容器執行垃圾回收操做，在圖中體現爲步驟A。

在步驟B中，模擬刪除每一個紫色的變量。模擬刪除時可能將不是紫色的不一樣變量引用數減1，若是某個普通變量引用計數變成0時，就對這個普通變量在作一次模擬刪除。每一個變量只能被模擬刪除一次，模擬刪除後標記爲灰色。

在步驟C中，模擬恢復每一個紫色變量。固然這個恢復是有條件的，當變量的引用計數大於0時纔對其作模擬恢復。一樣的每一個變量只能恢復一次，恢復後標記爲黑色，這樣生下一對沒能恢復的就是該刪除的藍色節點了，在步驟D中遍歷出來真正的刪除掉。

在php中垃圾回收機制默認是打開的，在你的php.ini中能夠手動設置，經過zend.enable_gc這個屬性進行開啓或關閉垃圾回收機制。當開啓了垃圾回收機制後，每當根緩存區存滿時，就會執行上面描述的循環查找算法。根緩存區具備固定的大小，固然你能夠經過修改php源碼文件Zend/zend_gc.c中常量GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES來修改根緩存區的大小(注意修改後須要從新編譯php)。當關閉垃圾回收機制後，這個循環查找算法將不會執行，然而可能根會一直存在於根緩衝區中，無論在配置中是否激活了垃圾回收機制。

固然你也能夠經過調用gc_enable()和gc_disable()函數來打開和關閉垃圾回收機制，效果和修改配置項相同。即便根緩衝區尚未滿，也能強制執行週期回收。

 

php的內存管理機制

如今咱們已經知道了zval是怎麼回事了。那麼如今咱們須要知道php的內存管理機制是怎麼一回事。

 

var_dump(memory_get_usage());

$test = "這是測試啊";

var_dump(memory_get_usage());

unset($name);

var_dump(memory_get_usage());

輸出(php5.6): /var/www/html/node_test/phptest/phptest.php:51: int(361896) /var/www/html/node_test/phptest/phptest.php:53: int(361928) /var/www/html/node_test/phptest/phptest.php:55: int(361896)

 

過程是：定義變量->內存增長->清除變量->內存恢復

 

var_dump(memory_get_usage());

$test = "這是測試啊";

var_dump(memory_get_usage());

unset($name);

var_dump(memory_get_usage());

輸出(php7.1): /var/www/html/node_test/phptest/phptest.php:51: int(361896) /var/www/html/node_test/phptest/phptest.php:53: int(361928) /var/www/html/node_test/phptest/phptest.php:55: int(361928)

 

而我在用php7時發現了這個問題，這就要說道php5和php7的內存管理機制和垃圾回收機制的不一樣了，這裏暫且不表。咱們繼續往下走。

當在執行

$test = "這是測試啊";

內存的分配作了兩件事：

1. 爲變量名分配內存，並存入符號表
2. 爲變量值分配內存

咱們再看代碼：

 

var_dump(memory_get_usage());

for($i=0;$i<100;$i++) {

     $a = "test".$i;     $$a = "hello";    

}

var_dump(memory_get_usage());

for($i=0;$i<100;$i++) { 

    $a = "test".$i;      unset($$a);    

}

var_dump(memory_get_usage());

輸出： /var/www/html/node_test/phptest/phptest.php:57: int(363520) /var/www/html/node_test/phptest/phptest.php:63: int(372384) /var/www/html/node_test/phptest/phptest.php:69: int(369216)

 

爲何內存沒有所有收回來呢？

由於php的核心結構Hashtable，在定義的時候不可能一次性分配足夠多的內存塊，因此初始化的時候只會分配一小塊，等不夠的時候在進行擴容，而Hashtable只擴容不減小，因此當存入100個變量的時候符號表不夠用了就進行一次擴容，當unset()時只是放了爲變量值分配的內存，可是爲變量名分配的內存仍是在符號表中的，符號表並無縮小，因此沒收回來的內存是被符號表佔去了。

php並非只要內存不夠就去向OS申請內存，而是先申請一大塊內存，而後將其中一部分分給申請者，這樣再有邏輯須要申請內存的時候，就不須要再向OS申請內存了，避免了重複申請，只有當一大塊內存不夠用的時候再去申請。而當釋放內存時，php並不是把內存還給了OS，而是把內存軌道本身維護的空閒內存列表，以便重複利用。

新版本的php(5.3版本以後)是如何處理垃圾內存的？

剛剛上面咱們已經講了，針對在php中環形引用致使的垃圾，產生了新的同步算法(GC算法)，對於官網上的理論，我進行了理解：

若是一個zval的refcount增長，那麼代表該變量的zval還在使用，不屬於垃圾

若是一個zval的refcount減小到0，那麼zval能夠被釋放掉，能夠清除，不是垃圾

若是在通過模擬刪除後一個zval的refcount減1，若是該zval的引用次數爲是大於0，那麼此zval不能被釋放，多是一個垃圾

 

關於垃圾回收的小知識點

unset()：unset()只是斷開一個變量到一塊內存區域的鏈接，同時將該內存區域的引用計數減1，內存是否回收主要仍是看refcount是否到0了。

null：將null賦值給一個變量是直接將該變量指向的數據結構置空，同時將其引用計數歸0。

腳本執行結束：該腳本中全部內存都會被釋放，不管是否有環引用。