PHP-----淺談垃圾回收機制

前言

大多數程式語言都會有自身的垃圾回收機制，php也不例外。經常聽很多人說gc，也就是垃圾回收器，全程為Garbage Collection。

在php5.3之前，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數的zval的refcount是否為0，是的話就釋放。

但是如果這麼簡單的判斷垃圾回收的話，很容易引起程式過程中記憶體溢位。如果存在"自身指向自身"的情況的話，那麼變數將無法回收早成記憶體洩露，所以從php5.3開始就出現了專門負責清理垃圾資料防止記憶體洩露的垃圾回收器。

引用計數的基本知識

我們要了解GC，那麼首先要了解引起垃圾回收的基數是什麼。

在php中，每個變數存在一個叫“zval”的變數容器中。一個zval變數容器，除了包含變數的型別和值，還包括另外兩個位元組的額外資訊。第一個是"is_ref"。第二個是"refcount"。

is_ref是一個布林型別的值，用來標示這個變數是否屬於引用集合。通過這個位元組，php引擎才能把普通變數和引用變數區分開來，由於php允許使用者通過"&"來使用自定義的引用，所以zval中還有一個內部引用計數機制，來進行優化記憶體。

refcount用來表示這個zval變數容器的變數的個數。所有符號存在一個符號表當中，每個符號都有作用域。

通俗的講：

• refcount就是多少個變數是一樣的用了相同的值，那麼refcount就是這個值
• is_ref就是當有變數用了&的形式進行賦值，那麼is_ref的值就會增加

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

<?php
$a = "new string";
xdebug_debug_zval('a');

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

<?php
$a = "new string";
$b = $a;
xdebug_debug_zval( 'a' );

輸出：a: (refcount=2, is_ref=0)='new string'
?>

減少引用計數

<?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'
?>

複合型別

當變數的型別為array或object這樣的複合型別時，array和object型別的變數把他們的成員或屬性存在自己的符號表中。

<?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
)
?>

新增一個已經存在的元素到陣列中：

<?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'
)
?>

從陣列中刪除一個元素：

<?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'
)
?>

將陣列作為一個元素新增給自身：

<?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)=...
)
?>

我們可以看到陣列a同時也是這個陣列第二個元素,指向的變數容器中refcount的值為2，上面輸出的“...”說明發生了遞迴操作，意味著"..."指向原始陣列。

儘管不再有某個作用域中的任何符號指向這個結構(就是變數容器)，由於陣列元素“1”仍然指向陣列本身，所以這個容器不能被清除 。因為沒有另外的符號指向它，使用者沒有辦法清除這個結構，結果就會導致記憶體洩漏。

垃圾回收週期

在5.3之前的版本中，php無法處理迴圈的引用記憶體洩露。但是自5.3之後php使用引用計數系統中同步週期回收的同步演算法，僅處理這個記憶體洩露問題。

基本思想是如果一個引用計數增加那麼將繼續被使用，當然就不再是垃圾。如果引用計數減少到零，所在變數容器將被清除。那麼也就是說只有在引用計數減少到非零值時，才會產生垃圾週期。在一個垃圾週期中通過檢查引用計數是否減1，並且檢查哪些變數容器的引用次數為零，來發現哪些是垃圾。

我們就拿這張圖舉例(來自php官網)。為了避免不得不檢查所有引用計數可能減少的垃圾週期，同步演算法將所有可能根放在了根緩衝區(root buffer)中(在圖中用紫色來標記，稱為疑似垃圾)，這樣可以同時確保每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，才對緩衝區中所有不同的變數容器執行垃圾回收操作，在圖中體現為步驟A。

在步驟B中，模擬刪除每個紫色的變數。模擬刪除時可能將不是紫色的不同變數引用數減1，如果某個普通變數引用計數變成0時，就對這個普通變數在做一次模擬刪除。每個變數只能被模擬刪除一次，模擬刪除後標記為灰色。

在步驟C中，模擬恢復每個紫色變數。當然這個恢復是有條件的，當變數的引用計數大於0時才對其做模擬恢復。同樣的每個變數只能恢復一次，恢復後標記為黑色，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中垃圾回收機制預設是開啟的，在你的php.ini中可以手動設定，通過zend.enable_gc這個屬性進行開啟或關閉垃圾回收機制。當開啟了垃圾回收機制後，每當根快取區存滿時，就會執行上面描述的迴圈查詢演算法。根快取區具有固定的大小，當然你可以通過修改php原始碼檔案Zend/zend_gc.c中常量GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES來修改根快取區的大小(注意修改後需要重新編譯php)。當關閉垃圾回收機制後，這個迴圈查詢演算法將不會執行，然而可能根會一直存在於根緩衝區中，不管在配置中是否激活了垃圾回收機制。

當然你也可以通過呼叫gc_enable()和gc_disable()函式來開啟和關閉垃圾回收機制，效果和修改配置項相同。即使根緩衝區還沒有滿，也能強制執行週期回收。

php的記憶體管理機制

現在我們已經知道了zval是怎麼回事了。那麼現在我們需要知道php的記憶體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)

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)

當在執行

$test = "這是測試啊";

1. 為變數名分配記憶體，並存入符號表
2. 為變數值分配記憶體

我們再看程式碼：

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)

因為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記憶體塊，所以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只擴容不減少，所以當存入100個變數的時候符號表不夠用了就進行一次擴容，當unset()時只是放了為變數值分配的記憶體，但是為變數名分配的記憶體還是在符號表中的，符號表並沒有縮小，所以沒收回來的記憶體是被符號表佔去了。

php並不是只要記憶體不夠就去向OS申請記憶體，而是先申請一大塊記憶體，然後將其中一部分分給申請者，這樣再有邏輯需要申請記憶體的時候，就不需要再向OS申請記憶體了，避免了重複申請，只有當一大塊記憶體不夠用的時候再去申請。而當釋放記憶體時，php並非把記憶體還給了OS，而是把記憶體軌道自己維護的空閒記憶體列表，以便重複利用。

新版本的php(5.3版本之後)是如何處理垃圾記憶體的？

剛剛上面我們已經講了，針對在php中環形引用導致的垃圾，產生了新的同步演算法(GC演算法)，對於官網上的理論，我進行了理解：

如果一個zval的refcount增加，那麼表明該變數的zval還在使用，不屬於垃圾

如果一個zval的refcount減少到0，那麼zval可以被釋放掉，可以清除，不是垃圾

如果在經過模擬刪除後一個zval的refcount減1，如果該zval的引用次數為是大於0，那麼此zval不能被釋放，可能是一個垃圾

關於垃圾回收的小知識點

unset()：unset()只是斷開一個變數到一塊記憶體區域的連線，同時將該記憶體區域的引用計數減1，記憶體是否回收主要還是看refcount是否到0了。

null：將null賦值給一個變數是直接將該變數指向的資料結構置空，同時將其引用計數歸0。

指令碼執行結束：該指令碼中所有記憶體都會被釋放，無論是否有環引用。