【PHP7源碼學習】2019-03-18 複習前面的內容

時間  2019-11-10
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baiyanphp

所有視頻：https://segmentfault.com/a/11...redis

原視頻地址：http://replay.xesv5.com/ll/24...算法

本筆記中部分圖片截自視頻中的片斷，圖片版權歸視頻原做者全部。express

malloc函數深刻

  • 在PHP內存管理1筆記中提到，malloc()函數會在分配的內存空間前面額外分配32位，用來存儲分配的大小和幾個標誌位，如圖：

  • 那麼到底是否是這樣的呢？咱們寫一段測試代碼驗證一下：
#include <stdlib.h>
int main() {
    void *ptr = malloc(8);
    return 1;
}
  • 利用gdb調試這段代碼：

  • 首先打印ptr的地址，爲0x602010，利用x命令日後看20個內存單元（1個內存單元 = 4個字節），故一共展現了80個字節，後面的x是以16進制打印內容。
  • 咱們發現緊鄰0x602010地址的上面32位均是0，沒有任何內容，不符合咱們的預期。
  • 上圖只是一個最簡單的思路，但絕大多數操做系統是按照以下的方式實現的：
操做系統中有一個記錄空閒內存地址的鏈表。當操做系統收到程序的申請時，就會遍歷該鏈表，而後就尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，而後就將該結點從空閒結點鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程序。malloc函數的實質體如今，它有一個將可用的內存塊鏈接爲一個長長的列表的所謂空閒鏈表（Free List）。調用malloc函數時，它沿鏈接表尋找一個大到足以知足用戶請求所須要的內存塊(根據不一樣的算法而定（將最早找到的不小於申請的大小內存塊分配給請求者，將最合適申請大小的空閒內存分配給請求者，或者是分配最大的空閒塊內存塊）。而後，將該內存塊一分爲二（一塊的大小與用戶請求的大小相等，另外一塊的大小就是剩下的字節）。接下來，將分配給用戶的那塊內存傳給用戶，並將剩下的那塊（若是有的話）返回到鏈接表上。調用free函數時，它將用戶釋放的內存塊鏈接到空閒鏈上。到最後，空閒鏈會被切成不少的小內存片斷，若是這時用戶申請一個大的內存片斷，那麼空閒鏈上可能沒有能夠知足用戶要求的片斷了。因而，malloc函數請求延時，並開始在空閒鏈上翻箱倒櫃地檢查各內存片斷，對它們進行整理，將相鄰的小空閒塊合併成較大的內存塊。若是沒法得到符合要求的內存塊，malloc函數會返回NULL指針，所以在調用malloc動態申請內存塊時，必定要進行返回值的判斷。

結構體與聯合體

結構體

  • 在b是char類型的時候，a和b的內存地址是緊鄰的；若是b是int類型的話，就會出現如圖所示的狀況。咱們能夠這樣記憶：不看b以後的字段，a和b以前也是按照它們的最小公倍數對齊的（若是b是int類型，a和b的最小公倍數是4，按4對齊；若是b是char類型，最小公倍數爲1，按1對齊，就會出現a和b緊鄰的狀況）

  • 若是不想對齊，有以下解決方案：segmentfault

    • 編譯的時候不加優化參數

    • 代碼層面：在struct後加關鍵字，例如redis中的sds簡單動態字符串的實現：數組

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

聯合體

  • 全部字段共用一段內存，用於PHP中變量值的存儲（由於變量只有一種類型），也能夠用來判斷機器的大小端問題。

宏定義

  • 宏就是替換。
  • 關於下面這段代碼的複雜宏替換問題，在PHP內存管理3筆記中已經有詳細解釋，此處再也不贅述。
#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)
};

PHP7中的基本變量

  • 在PHP7中，全部變量都以zval結構體來表示。一個zval是16字節；在PHP5中，一個zval是48字節。
struct _zval_struct {
    zend_value value;
    union u1;
    union u2;
};
  • 存儲變量須要考慮兩個要素：值與類型。

變量值的存放

  • 在PHP7中，變量的值存在zend_value 這個聯合體中。只有整型和浮點型是直接存在zend_value中，其他類型都只存放了一個指向專門存放該類型的結構體指針。這個聯合體共佔用8字節。
typedef union _zend_value {
    zend_long         lval;    //整型
    double            dval;    //浮點
    zend_refcounted  *counted; //引用計數
    zend_string      *str; //字符串
    zend_array       *arr; //數組
    zend_object      *obj; //對象
    zend_resource    *res; //資源
    zend_reference   *ref; //引用
    zend_ast_ref     *ast; //抽象語法樹
    zval             *zv;  //內部使用
    void             *ptr; //不肯定類型，取出來以後強轉
    zend_class_entry *ce;  //類
    zend_function    *func;//函數
    struct {
        uint32_t w1;
        uint32_t w2;
    } ww; //這個union一共8B，這個結構體每一個字段都是4B，由於全部聯合體字段共用一塊內存，故至關於取了一半的union
} zend_value;

變量類型的存放

  • 在PHP7中，其變量的類型存放在zval中的u1聯合體中：
...
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    type,     /* 在這裏用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中全部的變量類型：
/* 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

PHP7中的字符串

字符串基本結構

  • 設計字符串存儲的數據結構兩大要素：字符串值和長度。
  • PHP7字符串存儲結構的設計：
struct _zend_string {
    zend_refcounted_h gc;         /*引用計數，與垃圾回收相關，暫不展開*/
    zend_ulong        h;          /* 冗餘的hash值，計算數組key的哈希值時避免重複計算*/
    size_t            len;        /* 長度 */
    char              val[1];     /* 柔性數組，真正存放字符串值 */
};
  • 由爲何存長度引伸出二進制安全的問題。二進制安全：寫入的數據和讀出來的數據徹底相同，就是二進制安全的，詳情見PHP字符串筆記

字符串寫時複製

  • 看下面一段PHP代碼：
<?php
$a = "string" . time("Y-m-d");
echo $a;
$b = $a;
echo $a;
echo $b;
$b = "new string";
echo $a;
echo $b;
  • 利用gdb調試這段代碼，觀察其引用計數狀況。
  • 在第一個echo語句處打斷點，並查看$a中zend_stinrg中的引用計數gc.refcount = 1(下簡稱refcount)。由於如今只有一個$a引用zend_string。

  • 利用gdb的c命令繼續運行下一行PHP代碼$b = $a，而後觀察$a的zend_sting，咱們發現$a引用的zend_string的refcount變爲2：

  • 查看此時的$b，發現引用的zend_string的refcount也是2，且地址均是0x7ffff5e6b0f0，說明$a與$b所引用的是同一個zend_string。

  • 此時的內存結構如圖所示：

  • 這樣作的優勢就是僅僅須要1個zend_string就能夠存儲兩個PHP變量的值，而不是2個zend_string，節省了1個zend_string的內存空間。
  • 那麼咱們看接下來$b = "new string"，這樣的話，$a和$b因爲存儲的內容不一樣，故不能夠繼續引用同一個zend_string，這時就會發生寫時複製。咱們繼續gdb調試，看一下是否符合預期：
  • 給$b賦值後，觀察$a的存儲狀況：

  • 咱們看到，此時$a所指向的zend_string的refcount變爲了1，接下來再看一下$b的存儲狀況：

  • 注意此時$b所指向的zend_string的refcount變爲了0（注意這裏爲何是0而不是1呢？下面會講），並且b指向的zend_string的地址爲0x7ffff5e6a5c8，與$a所指向的zend_string的地址0x7ffff5e6b0f0不一樣，說明發生了寫時複製，即因爲字符串值的改變，被迫生成了一個新的zend_string結構體，用來專門存儲$b的值；而$a指向的zend_string只是refcount減小了1，其他並未發生變化。

  • 那麼爲何$b所指向的zend_string的refcount是0呢，咱們先給PHP中的字符串分個類：安全

    • 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，存儲在全局變量表中，refcount一直爲0，其在請求結束以後才被銷燬(方便重複利用)。
    • 臨時字符串：計算出來的臨時字符串，是執行階段通過zend虛擬機執行opcode計算出來的字符串，存儲在臨時變量區。
  • 咱們舉一個例子：
<?php
$a = "hello" . time("Y-m-d"); //臨時字符串，由於time()會隨時間變化而變化
$b = "hello world";           //常量字符串
  • 這裏$a因爲調用了time()函數，因此最終的值是不肯定的，是臨時字符串。
  • $b也能夠叫作字面量，是被硬編碼在PHP代碼中的，是常量字符串。
  • 咱們畫一下最終$a與$b的內存結構圖：

  • 由此咱們能夠清晰地看到，$a與$b不在引用同一個zend_string。那麼咱們給寫時複製下一個定義：給$b從新賦值而致使不能與$a共用一個zend_string的現象，叫作寫時複製。

PHP7中的數組

  • PHP7中的數組是一個hashtable，key-value對存儲於bucket中。

  • PHP7數組基本結構：
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;       //數組大小減一，用來作或運算，packed array初始值是-2，hash array初始值是-8
    Bucket            *arData;          //指針，指向實際存儲數組元素的bucket
    uint32_t          nNumUsed;         //使用了多少bucket，可是unset的時候這個值不減小
    uint32_t          nNumOfElements;   //真正有多少元素，unset的時候會減小
    uint32_t          nTableSize;       //bucket的個數
    uint32_t          nInternalPointer;
    zend_long         nNextFreeElement; //支持$arr[] = 1;語法，沒插入1個元素就會遞增1
    dtor_func_t       pDestructor;
};

typedef struct _zend_array HashTable;
  • 此結構在內存中的結構圖以下：

  • 思考：爲何要存儲gc字段？由於gc字段冗餘存儲了變量的類型，給任意一個變量，把它強轉成zend_refcounted_h類型，均可以拿到它的類型，zend_refcounted_h類型結構以下：
typedef struct _zend_refcounted_h {
    uint32_t         refcount;            /* 引用計數 */
    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;
  • 進行強制類型轉換以後，經過取該變量的u.type字段，就能夠拿到當前變量的類型了。
  • 咱們接着看一下bucket的結構：
typedef struct _Bucket {
    zval              val;   //元素的值，注意這裏直接存了zval而不是一個zval指針
    zend_ulong        h;     //冗餘的哈希值，避免重複計算哈希值
    zend_string      *key;   //元素的key值，指向一個zend_string結構體
} Bucket;
  • 思考若是利用$arr[] = 1;語法進行數組賦值，key字段的值是多少？答案是0x0，就是一個空指針。
  • hashtable的問題：哈希衝突，解決衝突的方法有開放定製法和鏈地址法，經常使用的是鏈地址法。
  • PHP7中並無採用真正的鏈表結構，而是利用數組模擬鏈表。這個時候須要在Bucket數組以前額外開闢一段內存空間（叫作索引數組，每一個索引數組的單元叫一個slot），來存儲同一hash值的第一個bucket的索引下標。

  • 看一個簡單的數組查找過程：數據結構

    • 通過time33哈希算法算出哈希值h
    • 計算出索引數組的nIndex = h | nTableMask = -7（假設），這個nIndex也別稱作slot
    • 訪問索引數組，取出索引爲-7位置上的元素值爲3
    • 訪問bucket數組，取出索引爲3位置上的key，爲x，發現並不等於s，那麼繼續查找，訪問val.u2.next指針，爲2
    • 取出索引爲2位置上的key，爲s，發現正好是咱們要找的那個key
    • 取出對應的val值3
  • 注意若是bucket的存儲空間滿了，須要從新計算和nIndex（即slot）的值並將值放到正確的bucket位置上，這個過程也叫作rehash。
  • 具體的插入過程詳見PHP基本變量筆記的文章末尾。

  • PHP7中的數組分爲兩種：packed array與hash array。函數

    • packed array：測試

      • key是數字，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數組的第0個位置便可（即arData[0]），這樣就不須要前面的索引數組。
    • 若是不知足上述條件，就是hash array
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