深入理解 PHP7 中全新的 zval 容器和引用計數機制

最近在查閱 PHP7 垃圾回收的資料的時候，網上的一些代碼示例在本地環境下運行時出現了不同的結果，使我一度非常迷惑。仔細一想不難發現問題所在：這些文章大多是 PHP5.x 時代的，而 PHP7 發布后，采用了新的 zval 結構，相關的資料也比較貧瘠，所以我結合一些資料做了一個總結，?主要側重于解釋新 zval 容器中的引用計數機制?，如有謬誤，還望不吝指教。

PHP7 中新的 zval 結構

明人不說暗話，先看代碼！

struct?_zval_struct{??
union?{??
zend_long?????lval;???????/*?long?value?*/??
double??????dval;???????/*?double?value?*/??
zend_refcounted?*counted;??
zend_string???*str;??
zend_array????*arr;??
zend_object???*obj;??
zend_resource??*res;??
zend_reference*ref;??
zend_ast_ref???*ast;??
zval???????*zv;??
void???????*ptr;??
zend_class_entry?*ce;??
zend_function??*func;??
struct?{??
uint32_t?w1;??
uint32_t?w2;??
}?ww;??
}?value;??
union?{??
struct?{??
ZEND_ENDIAN_LOHI_4(??
zend_uchar??type,?????/*?active?type?*/??
zend_uchar??type_flags,??
zend_uchar??const_flags,??
zend_uchar??reserved)???/*?call?info?for?EX(This)?*/??
}?v;??
uint32_t?type_info;??
}?u1;??
union?{??
uint32_t???var_flags;??
uint32_t???next;?????????/*?hash?collision?chain?*/??
uint32_t???cache_slot;??????/*?literal?cache?slot?*/??
uint32_t???lineno;????????/*?line?number?(for?ast?nodes)?*/??
uint32_t???num_args;???????/*?arguments?number?for?EX(This)?*/??
uint32_t???fe_pos;????????/*?foreach?position?*/??
uint32_t???fe_iter_idx;?????/*?foreach?iterator?index?*/??
}?u2;??
};??

對于該結構的詳細描述可以參考文末鳥哥的文章，寫的非常詳細，我就不關公面前耍大刀了，這里我只提出幾個比較關鍵的點：

PHP7 中的變量分為變量名和變量值兩部分，分別對應 zval_struct和在其中聲明的 value
zval_struct.value中的 zend_long 、 double 都是簡單數據類型，能夠直接儲存具體的值，而其他復雜數據類型儲存一個指向其他數據結構的指針
PHP7 中，引用計數器儲存在 value 中而不是 zval_struct
NULL 、布爾型都屬于沒有值的數據類型（其中布爾型通過 IS_FALSE 和 IS_TRUE 兩個常量來標記），自然也就沒有引用計數
引用（REFERENCE）變為了一種數據結構而不再只是一個標記位了，它的結構如下：

struct?_zend_reference{??
zend_refcounted_h?gc;??
zval???????val;??
}??

zend_reference作為?zval_struct中包含的一種 value 類型，也擁有自己的 val 值，這個值是指向一個?zval_struct.value的。他們都擁有自己的引用計數器。

引用計數器用來記錄當前有多少 zval 指向同一個 zend_value 。

針對第六點，請看如下代碼：

$a?=?'foo';??
$b?=?&$a;??
$c?=?$a;??

此時的數據結構是這樣的：

$a 與 $b 各擁有一個 zval_struct容器，并且其中的 value 都指向同一個

zend_reference結構，?zend_reference內嵌一個 val 結構，指向同一個 zend_string ，字符串的內容就儲存在其中。

而 $c 也擁有一個 zval_struct，而它的 value 在初始化的時候可以直接指向上面提到的 zend_string ，這樣在拷貝時就不會產生復制。

下面我們就聊一聊在這種全新的 zval 結構中，會出現的種種現象，和這些現象背后的原因。

問題

一. 為什么某些變量的引用計數器的初始值為 0

現象

$var_int?=?233;??
$var_float?=?233.3;??
$var_str?=?'233';??
xdebug_debug_zval('var_int');??
xdebug_debug_zval('var_float');??
xdebug_debug_zval('var_str');??
/**?輸出?**?
var_int:?
(refcount=0,?is_ref=0)int?233?
var_float:?
(refcount=0,?is_ref=0)float?233.3?
var_str:?
(refcount=0,?is_ref=0)string?'233'?(length=3)?
**********/??

原因

在 PHP7 中，為一個變量賦值的時候，包含了兩部分操作：

為符號量（即變量名）申請一個 zval_struct結構
將變量的值儲存到 zval_struct.value中對于 zval 在 value 字段中能保存下的值，就不會在對他們進行引用計數，而是在拷貝的時候直接賦值，這部分類型有：

IS_LONG
IS_DOUBLE

即我們在 PHP 中的整形與浮點型。

那么 var_str 的 refcount 為什么也是 0 呢？

這就牽扯到 PHP 中字符串的兩種類型：

1.interned string 內部字符串（函數名、類名、變量名、靜態字符串）：

$str = '233';??? // 靜態字符串

2.普通字符串：

$str = '233' . time();

對于內部字符串而言，字符串的內容是唯一不變的，相當于 C 語言中定義在靜態變量區的字符串，他們的生存周期存在于整個請求期間，request 完成后會統一銷毀釋放，自然也就無需通過引用計數進行內存管理。

二. 為什么在對整形、浮點型和靜態字符串型變量進行引用賦值時，計數器的值會直接變為2

現象

$var_int_1?=?233;??
$var_int_2?=?&var_int;??
xdebug_debug_zval('var_int_1');??
/**?輸出?**?
var_int:?
(refcount=2,?is_ref=1)int?233?
**********/??

原因

回憶一下我們開頭講的 zval_struct中 value 的數據結構，當為一個變量賦整形、浮點型或靜態字符串類型的值時，value 的數據類型為 zend_long 、 double 或 zend_string ，這時值是可以直接儲存在 value 中的。而按值拷貝時，會開辟一個新的 zval_struct以同樣的方式將值儲存到相同數據類型的 value 中，所以 refcount 的值一直都會為 0。

但是當使用 & 操作符進行引用拷貝時，情況就不一樣了：

PHP 為 & 操作符操作的變量申請一個 zend_reference結構
將 zend_reference.value 指向原來的 zval_struct.value
zval_struct.value的數據類型會被修改為 zend_refrence
將 zval_struct.value指向剛剛申請并初始化后的 zend_reference
為新變量申請 zval_struct結構，將他的 value 指向剛剛創建的 zend_reference

此時： var_int_2 都擁有一個 zval_struct結構體，并且他們的 zval_struct.value都指向了同一個 zend_reference結構，所以該結構的引用計數器的值為 2。

題外話：zend_reference又指向了一個整形或浮點型的 value，如果指向的 value 類型是 zend_string，那么該 value 引用計數器的值為 1。而 xdebug 出來的 refcount 顯示的是 zend_reference的計數器值（即 2）

三. 為什么初始數組的引用計數器的值為 2

現象

$var_empty_arr?=?[1,?2,?'3'];??
xdebug_debug_zval('var_empty_arr');??
/**?輸出?**?
var_arr:?
(refcount=3,?is_ref=0)?
array?(size=3)?
0?=>?(refcount=0,?is_ref=0)int?1?
1?=>?(refcount=0,?is_ref=0)int?2?
2?=>?(refcount=1,?is_ref=0)string?'3'?(length=1)?
**********/??

原因

這牽扯到 PHP7 中的另一個概念，叫做 immutable array （不可變數組）。關于 immutable array 的詳細介紹我放到下篇文章中講，這里我們只需要知道，這樣定義的數組，叫做不可變數組。

For arrays the not-refcounted variant is called an "immutable array". If you use opcache, then constant array literals in your code will be converted into immutable arrays. Once again, these live in shared memory and as such must not use refcounting. Immutable arrays have a dummy refcount of 2, as it allows us to optimize certain separation paths.

不可變數組和我們上面講到的內部字符串一樣，都是不使用引用計數的，但是不同點是，內部字符串的計數值恒為 0，而不可變數組會使用一個偽計數值 2。