PHP内存管理 垃圾回收

本文是php-internals的读书笔记.

概述
1） 操作系统直接管理着内存，所以操作系统也需要进行内存管理，计算机中通常都有内存管理单元(MMU) 用于处理CPU对内存的访问。
2） 应用程序无法直接调用物理内存， 只能向系统申请内存。
向操作系统申请内存空间会引发系统调用。
系统调用会将CPU从用户态切换到内核。
为了减少系统调用开销。通常在用户态进行内存管理。 申请大块内存备用。使用完的内存不马上释放，将内存复用，避免多次内存申请和释放所带来性能消耗。
3） PHP不需要显示内存管理，由Zend引擎进行管理。
PHP内存限制
1）php.ini中的默认32MB
memory_limit = 32M
2）动态修改内存
ini_set ("memory_limit", "128M")

3）获取目前内存占用
memory_get_usage() : 获取PHP脚本所用的内存大小
memory_get_peak_usage() ：返回当前脚本到目前位置所占用的内存峰值。

学习内存管理的目的
了解PHP如何占用内存，可以避免不必要的内存浪费。

PHP中的内存管理###

包含：
1）足够内存
2）可用内存获取部分内存
3）使用后的内存，是否销毁还是重新分配

PHP内存管理器

clipboard.png

接口层，是一些宏定义。
**堆层 heap **
_zend_mm_heap

初始化内存，调用 zend_mm_startup
PHP内存管理维护三个列表:
1)小块内存列表 free_buckets
2)大块内存列表 large_free_buckets
3)剩余内存列表 rest_buckets

两个HashTable 结构，难点是查找和计算内存地址
1)free_buckets
Hash函数为：

#define ZEND_MM_BUCKET_INDEX(true_size) ((true_size>>ZEND_MM_ALIGNMENT_LOG2)-(ZEND_MM_ALIGNED_MIN_HEADER_SIZE>>ZEND_MM_ALIGNMENT_LOG2))

2)large_free_buckets
Hash函数为：

#define ZEND_MM_LARGE_BUCKET_INDEX(S) zend_mm_high_bit(S)

    static inline unsigned int zend_mm_high_bit(size_t _size){
       ..//省略若干不同环境的实现
      unsignedint n =0;
      while(_size !=0) { 
        _size = _size >>1; n++;}
        return n-1;
    }

存储层 storage

• 内存分配的方式对堆层透明化，实现存储层和heap层的分离。
• 不同的内存分配方案， 有对应的处理函数。

内存的申请

PHP底层对内存的管理， 围绕着小块内存列表（free_buckets）、 大块内存列表（large_free_buckets）和 剩余内存列表（rest_buckets）三个列表来分层进行的

ZendMM向系统进行的内存申请，并不是有需要时向系统即时申请， 而是由ZendMM的最底层（heap层）先向系统申请一大块的内存，通过对上面三种列表的填充， 建立一个类似于内存池的管理机制。 在程序运行需要使用内存的时候，ZendMM会在内存池中分配相应的内存供使用。 这样做的好处是避免了PHP向系统频繁的内存申请操作

ZendMM对内存分配的处理步骤：

1）内存检查；
2）命中缓存，找到内存块，调至步骤5；
3）在ZendMM管理的heap层存储中搜索合适大小的内存块, 是在三种列表中小到大进行的，找到block后，调至步骤5；
4）步骤3未找到内存，则使用 ZEND_MM_STORAGE_ALLOC 申请新内存块 （至少为ZEND_MM_SEG_SIZE）,进行步骤6

5）使用zend_mm_remove_from_free_list函数将已经使用block节点在zend_mm_free_block中移除;
6） 内存分配完毕，对zend_mm_heap结构中的各种标识型变量进行维护，包括large_free_buckets， peak，size等;
7） 返回分配的内存地址;

PHP内存管理器

内存的销毁

ZendMM在内存销毁的处理上采用与内存申请相同的策略，当程序unset一个变量或者是其他的释放行为时， ZendMM并不会直接立刻将内存交回给系统，而是只在自身维护的内存池中将其重新标识为可用， 按照内存的大小整理到上面所说的三种列表（small,large,free）之中，以备下次内存申请时使用。

ZendMM将内存块以整理收回到zend_mm_heap的方式，回收到内存池中。
程序使用的所有内存，将在进程结束时统一交还给系统。

垃圾回收

自动回收内存的过程叫垃圾收集。PHP提供了语言层的垃圾回收机制，让程序员不必过分关心程序内存分配。

PHP5.3之前
引用计数方式的内存动态管理。

PHP中所有的变量都是以zval变量的形式存在。

变量引用计数变为0时，PHP将在内存中销毁这个变量。只是这里的垃圾并不能称之为垃圾。并且PHP在一个生命周期结束后就会释放此进程/线程所占的内容，这种方式决定了PHP在前期不需要过多考虑内存的泄露问题。

PHP5.3的垃圾回收

引入垃圾收集机制的目的是为了打破引用计数中的循环引用，从而防止因为这个而产生的内存泄露。 垃圾收集机制基于PHP的动态内存管理而存在。PHP5.3为引入垃圾收集机制，在变量存储的基本结构上有一些变动.

struct _zval_struct {
  /* Variable information */ 
  zvalue_value value;/* value */ 
  zend_uint refcount__gc; 
  zend_uchar type;/* active type */ 
  zend_uchar is_ref__gc;
};

添加了 __gc 以用于新的垃圾回收机制。

PHP5.3中的垃圾回收算法——Concurrent Cycle Collection in Reference Counted Systems

PHP5.3的垃圾回收算法仍然以引用计数为基础，但是不再是使用简单计数作为回收准则，而是使用了一种同步回收算法，这个算法由IBM的工程师在论文Concurrent Cycle Collection in Reference Counted Systems中提出。
论文较复杂， 列出一些大体描述。
首先PHP会分配一个固定大小的“根缓冲区”，这个缓冲区用于存放固定数量的zval，这个数量默认是10,000，如果需要修改则需要修改源代码Zend/zend_gc.c中的常量GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES然后重新编译。
由上文我们可以知道，一个zval如果有引用，要么被全局符号表中的符号引用，要么被其它表示复杂类型的zval中的符号引用。因此在zval中存在一些可能根（root）。这里我们暂且不讨论PHP是如何发现这些可能根的，这是个很复杂的问题，总之PHP有办法发现这些可能根zval并将它们投入根缓冲区。
当根缓冲区满额时，PHP就会执行垃圾回收，此回收算法如下：
1、对每个根缓冲区中的根zval按照深度优先遍历算法遍历所有能遍历到的zval，并将每个zval的refcount减1，同时为了避免对同一zval多次减1（因为可能不同的根能遍历到同一个zval），每次对某个zval减1后就对其标记为“已减”。
2、再次对每个缓冲区中的根zval深度优先遍历，如果某个zval的refcount不为0，则对其加1，否则保持其为0。
3、清空根缓冲区中的所有根（注意是把这些zval从缓冲区中清除而不是销毁它们），然后销毁所有refcount为0的zval，并收回其内存。
如果不能完全理解也没有关系，只需记住PHP5.3的垃圾回收算法有以下几点特性：
1、并不是每次refcount减少时都进入回收周期，只有根缓冲区满额后在开始垃圾回收。
2、可以解决循环引用问题。
3、可以总将内存泄露保持在一个阈值以下。

PHP5.2与PHP5.3垃圾回收算法的性能比较

PHP Manual中的相关章节：http://docs.php.net/manual/zh/features.gc.performance-considerations.php

首先是内存泄露试验，下面直接引用PHP Manual中的实验代码和试验结果图：

<?php

class Foo
{
   public $var = '3.1415962654';
}

$baseMemory = memory_get_usage();

for ( $i = 0; $i <= 100000; $i++ )
{
   $a = new Foo;
   $a->self = $a;
   if ( $i % 500 === 0 )
   {
       echo sprintf( '%8d: ', $i ), memory_get_usage() - $baseMemory, "\n";
   }
}

?>

gc-benchmark.png

可以看到在可能引发累积性内存泄露的场景下，PHP5.2发生持续累积性内存泄露，而PHP5.3则总能将内存泄露控制在一个阈值以下（与根缓冲区大小有关）。

与垃圾回收算法相关的PHP配置

1、可以通过修改php.ini中的zend.enable_gc来打开或关闭PHP的垃圾回收机制，也可以通过调用gc_enable()或gc_disable()打开或关闭PHP的垃圾回收机制。
2、在PHP5.3中即使关闭了垃圾回收机制，PHP仍然会记录可能根到根缓冲区，只是当根缓冲区满额时，PHP不会自动运行垃圾回收
3、当然，任何时候您都可以通过手工调用gc_collect_cycles()函数强制执行内存回收。

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