PHP内核探索之变量（1）Zval(自己看过不错儿)
作為數據的容器，我們常常需要跟變量打交道，不管這個變量是數字、數組、字符串、對象還是其他，因而可以說變量是構成語言的不可或缺的基礎。本文是PHP內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容：
由于寫作倉促，難免會有錯誤，歡迎指出。
一、Zval的基本結構
Zval是PHP中最重要的數據結構之一（另一個比較重要的數據結構是hash table），它包含了PHP中的變量值和類型的相關信息。它是一個struct，基本結構為：
struct _zval_struct {zvalue_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 = $b會令zval的refcount加1，而unset操作會相應的減1。在PHP5.3之前，使用引用計數的機制來實現GC，如果一個zval的refcount較少到0，那么Zend引擎會認為沒有任何變量指向該zval，因此會釋放該zval所占的內存空間。但，事情有時并不會那么簡單。后面我們會看到，單純的引用計數機制無法GC掉循環引用的zval，即使指向該zval的變量已經被unset，從而導致了內存泄露（Memory Leak）。
3. zend_uchar type
該字段用于表明變量的實際類型。在開始學習PHP的時候，我們已經知道，PHP中的變量包括四種標量類型（bool,int,float,string），兩種復合類型（array, object）和兩種特殊的類型（resource 和NULL）。在zend內部，這些類型對應于下面的宏（代碼位置 phpsrc/Zend/zend.h）：
#define IS_NULL 0 #define IS_LONG 1 #define IS_DOUBLE 2 #define IS_BOOL 3 #define IS_ARRAY 4 #define IS_OBJECT 5 #define IS_STRING 6 #define IS_RESOURCE 7 #define IS_CONSTANT 8 #define IS_CONSTANT_ARRAY 9 #define IS_CALLABLE 104. is_ref__gc
這個字段用于標記變量是否是引用變量。對于普通的變量，該值為0，而對于引用型的變量，該值為1。這個變量會影響zval的共享、分離等。關于這點，我們之后會有論述。
正如名字所示，ref_count__gc和is_ref__gc是PHP的GC機制所需的很重要的兩個字段，這兩個字段的值，可以通過xdebug等調試工具查看。
二、xdebug的安裝配置
xdebug是一個開源的PHP 性能分析和debug工具。雖然對于一般的程序調試，var_dump,echo,print,debug_backtrace等常見的調試工具已經基本夠用，但對于一些復雜的調試和性能測試，xdebug絕對是一個很好的幫手（其他的如Xhprof等工具也很優秀）。
本文的基本環境：
安裝xdebug的基本過程為(實際上是源碼編譯一個擴展)：
1. 下載源碼包.
下載地址為：http://www.xdebug.org/docs/install
本文中下載的版本為：xdebug-2.6.tar.gz
2. 解壓
tar xvzf xdebug-2.6.tar.gz3. 在xdebug的目錄執行phpize
4. ./configure?? 配置
5. Make&&? make install
這會生成xdebug.so擴展文件（zend_extension）,位置在xdebug/modules
6. 在php.ini中加載xdebug擴展
zend_extension=your-xdebug-path/xdebug.so7. 添加xdebug的配置
xdebug.profiler_enable = on xdebug.default_enable = on xdebug.trace_output_dir="/tmp/xdebug" xdebug.trace_output_name = trace.%c.%p xdebug.profiler_output_dir="/tmp/xdebug" xdebug.profiler_output_name="cachegrind.out.%s"這里不再詳細介紹各個配置項的含義，詳細的請看：http://www.xdebug.org/docs/all?
現在，PHP中，應該已經有了Xdebug的擴展信息（php –m，也可以phpinfo()）：
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現在，你的腳本中，可以通過xdebug_debug_zval打印Zval的信息：
| 1 2 3 4 | <?php ????$a = array( 'test' ); ????$a[] = &$a; ????xdebug_debug_zval( 'a' ); |
3. Zval的更多原理
（注，本部分主要參考：http://derickrethans.nl/collecting-garbage-phps-take-on-variables.html， 作者Derick Rethans是一位優秀的PHP內核專家，在全世界做過多次報告，都有相關的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習研究）
前面我們已經說過，PHP使用Zval這種結構來保存變量，這里我們將繼續追蹤zval的更多細節。
1.?????? 創建變量時，會創建一個zval.
| 1 2 | $str = "test zval"; xdebug_debug_zval('str'); |
輸出結果：
str: (refcount=1, is_ref=0)='test zval'當使用$str="test zval";來創建變量時，會在當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。
| 1 2 3 4 | $str? = "test zval"; $str2 = $str; xdebug_debug_zval('str'); xdebug_debug_zval('str2'); |
輸出結果： ?????
同時我們看到，str和是str2這兩個symbol的zval結構是一樣的。這里其實是PHP所做的一個優化，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省內存。這時的str,str2與zval的對應關系是這樣的：
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3.?????? 使用unset時，對減少相應zval的refcount值
| 1 2 3 4 5 6 | $str? = "test zval"; $str3 = $str2 = $str; xdebug_debug_zval('str'); unset($str2,$str3) xdebug_debug_zval('str'); ?? |
結果為：
str: (refcount=3, is_ref=0)='test zval' str: (refcount=1, is_ref=0)='test zval'由于unset($str2,$str3)會將str2和str3從符號表中刪除，因此，在unset之后，只有str指向該zval，如下圖所示：
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現在如果執行unset($str)，則由于zval的refcount會減少到0，該zval會從內存中清理。這當然是最理想的情況。
但是事情并不總是那么樂觀。
4.?????? 數組變量與普通變量生成的zval非常類似，但也有很大不同
與標量這些普通變量不同，數組和對象這類復合型的變量在生成zval時，會為每個item項生成一個zval容器。例如：
| 1 2 3 4 | $ar = array( ????'id'?? => 38, ????'name' => 'shine' ); xdebug_debug_zval('ar'); |
打印出zval的結構是：
ar: (refcount=1, is_ref=0)=array ('id' => (refcount=1, is_ref=0)=38, 'name' => (refcount=1, is_ref=0)='shine' )如下圖所示：
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可以看出，變量$ar生成的過程中，共生成了3個zval容器（紅色部分標注）。對于每個zval而言，refcount的增減規則與普通變量的相同。例如，我們在數組中添加另外一個元素，并把$ar['name']的值賦給它：
| 1 2 3 4 5 6 7 | $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:
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同樣的，從數組中移除元素時，會從符號表中刪除相應的符號，同時減少對應zval的refcount值。同樣，如果zval的refcount值減少到0，那么就會從內存中刪除該zval：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 | $ar = array( ????'id'?? => 38, ????'name' => 'shine' ); $ar['test'] = $ar['name']; unset($ar['test'],$ar['name']); xdebug_debug_zval('ar'); |
輸出結果為：
ar: (refcount=1, is_ref=0)=array ('id' => (refcount=1, is_ref=0)=38)5.?????? 引用的出現，會令zval的規則變得復雜
在加入引用之后，情況會變的稍微復雜一點。例如，在數組中添加對本身的引用：
| 1 2 3 | $a = $array('one'); $a[] = &$a; xdebug_debug_zval('a'); |
輸出的結果：
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，…表示指向原始數組，因而這是一個循環的引用。如下圖所示：
?
現在，我們對$a執行unset操作，這會在symbol table中刪除相應的symbol,同時，zval的refcount減1（之前為2），也就是說，現在的zval應該是這樣的結構：
(refcount=1, is_ref=1)=array (0 => (refcount=1, is_ref=0)='one', 1 => (refcount=1, is_ref=1)=... )也就是下圖所示的結構：
?
這時，不幸的事情發生了！
Unset之后，雖然沒有變量指向該zval，但是該zval卻不能被GC（指PHP5.3之前的單純引用計數機制的GC）清理掉，因為zval的refcount均大于0。這樣，這些zval實際上會一直存在內存中，直到請求結束（參考SAPI的生命周期）。在此之前，這些zval占據的內存不能被使用，便白白浪費了，換句話說，無法釋放的內存導致了內存泄露。
如果這種內存泄露僅僅發生了一次或者少數幾次，倒也還好，但如果是成千上萬次的內存泄露，便是很大的問題了。尤其在長時間運行的腳本中（例如守護程序，一直在后臺執行不會中斷），由于無法回收內存，最終會導致系統“再無內存可用”。
6.?????? zval分離（Copy on write和change on write）
前面我們已經介紹過，在變量賦值的過程中例如$b = $a，為了節省空間,并不會為$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生變化時，如何處理zval的共享問題？
對于這樣的代碼：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | $a = "a simple test"; $b = $a; echo "before write:".PHP_EOL; xdebug_debug_zval('a'); xdebug_debug_zval('b'); $b = "thss"; echo "after write:".PHP_EOL; xdebug_debug_zval('a'); xdebug_debug_zval('b'); |
打印的結果是：
before write: a: (refcount=2, is_ref=0)='a simple test' b: (refcount=2, is_ref=0)='a simple test' after write: a: (refcount=1, is_ref=0)='a simple test' b: (refcount=1, is_ref=0)='thss'起初，符號表中a和b指向了同一個zval(這么做的原因是節省內存)，而后$b發生了變化，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？
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | $a = 'test'; $b = &$a;<br> echo "before change:".PHP_EOL; xdebug_debug_zval('a'); xdebug_debug_zval('b');<br> $b = 12; echo "after change:".PHP_EOL; xdebug_debug_zval('a'); xdebug_debug_zval('b');<br> unset($b); echo "after unset:".PHP_EOL; xdebug_debug_zval('a'); xdebug_debug_zval('b'); |
輸出的結果為：
before change: a: (refcount=2, is_ref=1)='test' b: (refcount=2, is_ref=1)='test'after change: a: (refcount=2, is_ref=1)=12 b: (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的symbol。這樣一來，之前很多的關于引用的疑問也可以理解了（下一節我們將深入探索PHP的引用）。
本文參考文獻：
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知識改變命運，碼農拯救人生來源:http://www.cnblogs.com/ohmygirl/p/internal-variable-1.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的PHP内核探索之变量（1）Zval(自己看过不错儿)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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