作為數(shù)據(jù)的容器，我們常常需要跟變量打交道，不管這個變量是數(shù)字、數(shù)組、字符串、對象還是其他，因而可以說變量是構(gòu)成語言的不可或缺的基礎(chǔ)。本文是PHP內(nèi)核探索之變量的第一篇，主要介紹zval的基本知識，包括如下幾個方面的內(nèi)容：

由于寫作倉促，難免會有錯誤，歡迎指出。

Zval是PHP中最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一（另一個比較重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是hash table），它包含了PHP中的變量值和類型的相關(guān)信息。它是一個struct，基本結(jié)構(gòu)為：

struct _zval_struct {    zhtml' target='_blank'>value_value value;     /* value */    zend_uint refcount__gc;  /* variable ref count */    zend_uchar type;          /* active type */    zend_uchar is_ref__gc;    /* if it is a ref variable */};typedef struct _zval_struct zval;

其中：

1.　　zval_value value

變量的實際值，具體來說是一個zvalue_value的聯(lián)合體（union）:

typedef union _zvalue_value {    long lval;                  /* long value */    double dval;                /* double value */    struct {                    /* string */        char *val;        int len;    } str;    HashTable *ht;              /* hash table value,used for array */    zend_object_value obj;      /* object */} zvalue_value;

2.　　zend_uint refcount__gc

該值實際上是一個計數(shù)器，用來保存有多少變量（或者符號，symbols,所有的符號都存在符號表（symble table）中, 不同的作用域使用不同的符號表，關(guān)于這一點，我們之后會論述）指向該zval。在變量生成時，其refcount=1，典型的賦值操作如$a = $b會令zval的refcount加1，而unset操作會相應(yīng)的減1。在PHP5.3之前，使用引用計數(shù)的機制來實現(xiàn)GC，如果一個zval的refcount較少到0，那么Zend引擎會認(rèn)為沒有任何變量指向該zval，因此會釋放該zval所占的內(nèi)存空間。但，事情有時并不會那么簡單。后面我們會看到，單純的引用計數(shù)機制無法GC掉循環(huán)引用的zval，即使指向該zval的變量已經(jīng)被unset，從而導(dǎo)致了內(nèi)存泄露（Memory Leak）。

3.　　zend_uchar type

該字段用于表明變量的實際類型。在開始學(xué)習(xí)PHP的時候，我們已經(jīng)知道，PHP中的變量包括四種標(biāo)量類型（bool,int,float,string），兩種復(fù)合類型（array, object）和兩種特殊的類型（resource 和NULL）。在zend內(nèi)部，這些類型對應(yīng)于下面的宏（代碼位置 phpsrc/Zend/zend.h）：

#define IS_NULL     0#define IS_LONG     1#define IS_DOUBLE   2#define IS_BOOL     3#define IS_ARRAY    4#define IS_OBJECT   5#define IS_STRING   6#define IS_RESOURCE 7#define IS_CONSTANT 8#define IS_CONSTANT_ARRAY   9#define IS_CALLABLE 10

4.　　is_ref__gc

這個字段用于標(biāo)記變量是否是引用變量。對于普通的變量，該值為0，而對于引用型的變量，該值為1。這個變量會影響zval的共享、分離等。關(guān)于這點，我們之后會有論述。

正如名字所示，ref_count__gc和is_ref__gc是PHP的GC機制所需的很重要的兩個字段，這兩個字段的值，可以通過xdebug等調(diào)試工具查看。

xdebug是一個開源的PHP 性能分析和debug工具。雖然對于一般的程序調(diào)試，var_dump,echo,print,debug_backtrace等常見的調(diào)試工具已經(jīng)基本夠用，但對于一些復(fù)雜的調(diào)試和性能測試，xdebug絕對是一個很好的幫手（其他的如Xhprof等工具也很優(yōu)秀）。

本文的基本環(huán)境：

安裝xdebug的基本過程為(實際上是源碼編譯一個擴展)：

1.　　下載源碼包.

　　下載地址為：http://www.xdebug.org/docs/install

　　本文中下載的版本為：xdebug-2.6.tar.gz

2.　　解壓

tar xvzf xdebug-2.6.tar.gz

3.　　在xdebug的目錄執(zhí)行phpize

4.　　./configure 配置

5.　　Make&& make install

這會生成xdebug.so擴展文件（zend_extension）,位置在xdebug/modules

6.　　在php.ini中加載xdebug擴展

zend_extension=your-xdebug-path/xdebug.so

7.　　添加xdebug的配置

xdebug.profiler_enable = onxdebug.default_enable = onxdebug.trace_output_dir='/tmp/xdebug'xdebug.trace_output_name = trace.%c.%pxdebug.profiler_output_dir='/tmp/xdebug'xdebug.profiler_output_name='cachegrind.out.%s'

這里不再詳細(xì)介紹各個配置項的含義，詳細(xì)的請看：http://www.xdebug.org/docs/all

現(xiàn)在，PHP中，應(yīng)該已經(jīng)有了Xdebug的擴展信息（php –m，也可以phpinfo()）：

現(xiàn)在，你的腳本中，可以通過xdebug_debug_zval打印Zval的信息：

<?php    $a = array( 'test' );    $a[] = &$a;    xdebug_debug_zval( 'a' );

（注，本部分主要參考：http://derickrethans.nl/collecting-garbage-phps-take-on-variables.html， 作者Derick Rethans是一位優(yōu)秀的PHP內(nèi)核專家，在全世界做過多次報告，都有相關(guān)的pdf下載，這里（http://derickrethans.nl/talks.html ）有作者每次演講的記錄，很多都值得我們深入去學(xué)習(xí)研究）

前面我們已經(jīng)說過，PHP使用Zval這種結(jié)構(gòu)來保存變量，這里我們將繼續(xù)追蹤zval的更多細(xì)節(jié)。

1. 創(chuàng)建變量時，會創(chuàng)建一個zval.

$str = 'test zval';xdebug_debug_zval('str');

輸出結(jié)果：

str: (refcount=1, is_ref=0)='test zval'

當(dāng)使用$str='test zval';來創(chuàng)建變量時，會在當(dāng)前作用域的符號表中插入新的符號（str）,由于該變量是一個普通的變量，因此會生成一個refcount=1且is_ref=0的zval容器。也就是說，實際上是這樣的:

2. 變量賦值給另外一個變量時，會增加zval的refcount值。

$str  = 'test zval';$str2 = $str;xdebug_debug_zval('str');xdebug_debug_zval('str2');

輸出結(jié)果：

str: (refcount=2, is_ref=0)='test zval'str2: (refcount=2, is_ref=0)='test zval'

同時我們看到，str和是str2這兩個symbol的zval結(jié)構(gòu)是一樣的。這里其實是PHP所做的一個優(yōu)化，由于str和str2都是普通變量，因而它們指向了同一個zval，而沒有為str2開辟單獨的zval。這么做，可以在一定程度上節(jié)省內(nèi)存。這時的str,str2與zval的對應(yīng)關(guān)系是這樣的：

$str  = 'test zval';$str3 = $str2 = $str;xdebug_debug_zval('str');unset($str2,$str3)xdebug_debug_zval('str');

結(jié)果為：

str: (refcount=3, is_ref=0)='test zval'str: (refcount=1, is_ref=0)='test zval'

由于unset($str2,$str3)會將str2和str3從符號表中刪除，因此，在unset之后，只有str指向該zval，如下圖所示：

現(xiàn)在如果執(zhí)行unset($str)，則由于zval的refcount會減少到0，該zval會從內(nèi)存中清理。這當(dāng)然是最理想的情況。

但是事情并不總是那么樂觀。

與標(biāo)量這些普通變量不同，數(shù)組和對象這類復(fù)合型的變量在生成zval時，會為每個item項生成一個zval容器。例如：

$ar = array(    'id'   => 38,    'name' => 'shine'); xdebug_debug_zval('ar');

打印出zval的結(jié)構(gòu)是：

ar: (refcount=1, is_ref=0)=array (    'id' => (refcount=1, is_ref=0)=38,     'name' => (refcount=1, is_ref=0)='shine')

如下圖所示：

可以看出，變量$ar生成的過程中，共生成了3個zval容器（紅色部分標(biāo)注）。對于每個zval而言，refcount的增減規(guī)則與普通變量的相同。例如，我們在數(shù)組中添加另外一個元素，并把$ar['name']的值賦給它：

$ar = array(    'id'   => 38,    'name' => 'shine');$ar['test'] = $ar['name'];xdebug_debug_zval('ar');

則打印出的zval為：

ar: (refcount=1, is_ref=0)=array (    'id' => (refcount=1, is_ref=0)=38,    'name' => (refcount=2, is_ref=0)='shine',    'test' => (refcount=2, is_ref=0)='shine')

如同普通變量一樣，這時候,name和test這兩個symbol指向同一個zval:

同樣的，從數(shù)組中移除元素時，會從符號表中刪除相應(yīng)的符號，同時減少對應(yīng)zval的refcount值。同樣，如果zval的refcount值減少到0，那么就會從內(nèi)存中刪除該zval：

$ar = array(    'id'   => 38,    'name' => 'shine');$ar['test'] = $ar['name'];unset($ar['test'],$ar['name']);xdebug_debug_zval('ar');

輸出結(jié)果為：

ar: (refcount=1, is_ref=0)=array ('id' => (refcount=1, is_ref=0)=38)

在加入引用之后，情況會變的稍微復(fù)雜一點。例如，在數(shù)組中添加對本身的引用：

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

輸出的結(jié)果：

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

上述輸出中，…表示指向原始數(shù)組，因而這是一個循環(huán)的引用。如下圖所示：

現(xiàn)在，我們對$a執(zhí)行unset操作，這會在symbol table中刪除相應(yīng)的symbol,同時，zval的refcount減1（之前為2），也就是說，現(xiàn)在的zval應(yīng)該是這樣的結(jié)構(gòu)：

(refcount=1, is_ref=1)=array (    0 => (refcount=1, is_ref=0)='one',     1 => (refcount=1, is_ref=1)=...)

也就是下圖所示的結(jié)構(gòu)：

　　這時，不幸的事情發(fā)生了！

　　Unset之后，雖然沒有變量指向該zval，但是該zval卻不能被GC（指PHP5.3之前的單純引用計數(shù)機制的GC）清理掉，因為zval的refcount均大于0。這樣，這些zval實際上會一直存在內(nèi)存中，直到請求結(jié)束（參考SAPI的生命周期）。在此之前，這些zval占據(jù)的內(nèi)存不能被使用，便白白浪費了，換句話說，無法釋放的內(nèi)存導(dǎo)致了內(nèi)存泄露。

　　如果這種內(nèi)存泄露僅僅發(fā)生了一次或者少數(shù)幾次，倒也還好，但如果是成千上萬次的內(nèi)存泄露，便是很大的問題了。尤其在長時間運行的腳本中（例如守護(hù)程序，一直在后臺執(zhí)行不會中斷），由于無法回收內(nèi)存，最終會導(dǎo)致系統(tǒng)“再無內(nèi)存可用”。

前面我們已經(jīng)介紹過，在變量賦值的過程中例如$b = $a，為了節(jié)省空間,并不會為$a和$b都開辟單獨的zval，而是使用共享zval的形式：

那么問題來了：如果其中一個變量發(fā)生變化時，如何處理zval的共享問題？

對于這樣的代碼：

$a = 'a simple test';$b = $a;echo 'before write:'.PHP_EOL;xdebug_debug_zval('a');xdebug_debug_zval('b');$b = 'thss';echo 'after write:'.PHP_EOL;xdebug_debug_zval('a');xdebug_debug_zval('b');

打印的結(jié)果是：

before write:a: (refcount=2, is_ref=0)='a simple test'b: (refcount=2, is_ref=0)='a simple test'after write:a: (refcount=1, is_ref=0)='a simple test'b: (refcount=1, is_ref=0)='thss'

起初，符號表中a和b指向了同一個zval(這么做的原因是節(jié)省內(nèi)存)，而后$b發(fā)生了變化，Zend會檢查b指向的zval的refcount是否為1，如果是1，那么說明只有一個符號指向該zval，則直接更改zval。否則，說明這是一個共享的zval，需要將該zval分離出去，以保證單獨變化互不影響，這種機制叫做COW –Copy on write。在很多場景下，COW都是一種比較高效的策略。

那么對于引用變量呢？

$a = 'test';$b = &$a;echo 'before change:'.PHP_EOL;xdebug_debug_zval('a');xdebug_debug_zval('b');$b = 12;echo 'after change:'.PHP_EOL;xdebug_debug_zval('a');xdebug_debug_zval('b');unset($b);echo 'after unset:'.PHP_EOL;xdebug_debug_zval('a');xdebug_debug_zval('b');

輸出的結(jié)果為：

before change:a: (refcount=2, is_ref=1)='test'b: (refcount=2, is_ref=1)='test'after change:a: (refcount=2, is_ref=1)=12b: (refcount=2, is_ref=1)=12after unset:a: (refcount=1, is_ref=0)=12

可以看出，在改變了$b的值之后，Zend會檢查zval的is_ref檢查是否是引用變量，如果是引用變量，則直接更改即可，否則，需要執(zhí)行剛剛提到的zval分離。由于$a 和 $b是引用變量，因而更改共享的zval實際上也間接更改了$a的值。而在unset($b)之后，變量$b從符號表中刪除了。

這里也說明一個問題，unset并不是清除zval，而只是從符號表中刪除相應(yīng)的symbol。這樣一來，之前很多的關(guān)于引用的疑問也可以理解了（下一節(jié)我們將深入探索PHP的引用）。

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