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概述 在5.2及更早版本的PHP中,没有专门的垃圾回收器GC(Garbage Collection),引擎在判断一个变量空间是否能够被释放的时候是依据这个变量的zval的refcount的值,如果refcount为0,那么变量的空间可以被释放,否则就不释放,这是一种非常简单的GC实现。然而在这种简单的GC实现方案中,出现了意想不到的变量内存泄漏情况(Bug:http://bugs.php.net/bug.php?id=33595),引擎将无法回收这些内存,于是在PHP5.3中出现了新的GC,新的GC有专门的机制负责清理垃圾数据,防止内存泄漏。本文将详细的阐述PHP5.3中新的GC运行机制。 目前很少有详细的资料介绍新的GC,本文将是目前国内最为详细的从源码角度介绍PHP5.3中GC原理的文章。其中关于垃圾产生以及算法简介部分由笔者根据手册翻译而来,当然其中融入了本人的一些看法。手册中相关内容:Garbage Collection 在介绍这个新的GC之前,读者必须先了解PHP中变量的内部存储相关知识,请先阅读 变量的内部存储:引用和计数
什么算垃圾 首先我们需要定义一下“垃圾”的概念,新的GC负责清理的垃圾是指变量的容器zval还存在,但是又没有任何变量名指向此zval。因此GC判断是否为垃圾的一个重要标准是有没有变量名指向变量容器zval。 假设我们有一段PHP代码,使用了一个临时变量$tmp存储了一个字符串,在处理完字符串之后,就不需要这个$tmp变量了,$tmp变量对于我们来说可以算是一个“垃圾”了,但是对于GC来说,$tmp其实并不是一个垃圾,$tmp变量对我们没有意义,但是这个变量实际还存在,$tmp符号依然指向它所对应的zval,GC会认为PHP代码中可能还会使用到此变量,所以不会将其定义为垃圾。 那么如果我们在PHP代码中使用完$tmp后,调用unset删除这个变量,那么$tmp是不是就成为一个垃圾了呢。很可惜,GC仍然不认为$tmp是一个垃圾,因为$tmp在unset之后,refcount减少1变成了0(这里假设没有别的变量和$tmp指向相同的zval),这个时候GC会直接将$tmp对应的zval的内存空间释放,$tmp和其对应的zval就根本不存在了。此时的$tmp也不是新的GC所要对付的那种“垃圾”。那么新的GC究竟要对付什么样的垃圾呢,下面我们将生产一个这样的垃圾。
顽固垃圾的产生过程 如果读者已经阅读了变量内部存储相关的内容,想必对refcount和isref这些变量内部的信息有了一定的了解。这里我们将结合手册中的一个例子来介绍垃圾的产生过程:
<?php $a = "new string"; ?> 在这么简单的一个代码中,$a变量内部存储信息为 a: (refcount=1, is_ref=0)='new string'
当把$a赋值给另外一个变量的时候,$a对应的zval的refcount会加1 <?php $a = "new string"; $b = $a; ?> a,b: (refcount=2, is_ref=0)='new string' 当我们用unset删除$b变量的时候,$b对应的zval的refcount会减少1 <?php $a = "new string"; //a: (refcount=1, is_ref=0)='new string' $b = $a; //a,b: (refcount=2, is_ref=0)='new string' unset($b); //a: (refcount=1, is_ref=0)='new string' ?>
对于普通的变量来说,这一切似乎很正常,但是在复合类型变量(数组和对象)中,会发生比较有意思的事情: <?php $a = array('meaning' => 'life', 'number' => 42); ?> a的内部存储信息为: a: (refcount=1, is_ref=0)=array ( 数组变量本身($a)在引擎内部实际上是一个哈希表,这张表中有两个zval项 meaning和number, 所以实际上那一行代码中一共生成了3个zval,这3个zval都遵循变量的引用和计数原则,用图来表示:
下面在$a中添加一个元素,并将现有的一个元素的值赋给新的元素: <?php $a = array('meaning' => 'life', 'number' => 42); $a['life'] = $a['meaning']; ?> 那么$a的内部存储为: a: (refcount=1, is_ref=0)=array (
现在,如果我们试一下,将数组的引用赋值给数组中的一个元素,有意思的事情就发生了: <?php $a = array('one'); $a[] = &$a; ?> 这样$a数组就有两个元素,一个索引为0,值为字符one,另外一个索引为1,为$a自身的引用,内部存储如下: a: (refcount=2, is_ref=1)=array ( “…”表示1指向a自身,是一个环形引用:
这个时候我们对$a进行unset,那么$a会从符号表中删除,同时$a指向的zval的refcount减少1 <?php $a = array('one'); $a[] = &$a; unset($a); ?> 那么问题也就产生了,$a已经不在符号表中了,用户无法再访问此变量,但是$a之前指向的zval的refcount变为1而不是0,因此不能被回收,这样产生了内存泄露:
这样,这么一个zval就成为了一个真是意义的垃圾了,新的GC要做的工作就是清理这种垃圾。
为解决这种垃圾,产生了新的GC 在PHP5.3版本中,使用了专门GC机制清理垃圾,在之前的版本中是没有专门的GC,那么垃圾产生的时候,没有办法清理,内存就白白浪费掉了。在PHP5.3源代码中多了以下文件:{PHPSRC}/Zend/zend_gc.h {PHPSRC}/Zend/zend_gc.c, 这里就是新的GC的实现,我们先简单的介绍一下算法思路,然后再从源码的角度详细介绍引擎中如何实现这个算法的。
新的GC算法 在较新的PHP手册中有简单的介绍新的GC使用的垃圾清理算法,这个算法名为 Concurrent Cycle Collection in Reference Counted Systems , 这里不详细介绍此算法,根据手册中的内容来先简单的介绍一下思路: 首先我们有几个基本的准则: 1:如果一个zval的refcount增加,那么此zval还在使用,不属于垃圾 2:如果一个zval的refcount减少到0, 那么zval可以被释放掉,不属于垃圾 3:如果一个zval的refcount减少之后大于0,那么此zval还不能被释放,此zval可能成为一个垃圾
只有在准则3下,GC才会把zval收集起来,然后通过新的算法来判断此zval是否为垃圾。那么如何判断这么一个变量是否为真正的垃圾呢? 简单的说,就是对此zval中的每个元素进行一次refcount减1操作,操作完成之后,如果zval的refcount=0,那么这个zval就是一个垃圾。这个原理咋看起来很简单,但是又不是那么容易理解,起初笔者也无法理解其含义,直到挖掘了源代码之后才算是了解。如果你现在不理解没有关系,后面会详细介绍,这里先把这算法的几个步骤描叙一下,首先引用手册中的一张图:
A:为了避免每次变量的refcount减少的时候都调用GC的算法进行垃圾判断,此算法会先把所有前面准则3情况下的zval节点放入一个节点(root)缓冲区(root buffer),并且将这些zval节点标记成紫色,同时算法必须确保每一个zval节点在缓冲区中之出现一次。当缓冲区被节点塞满的时候,GC才开始开始对缓冲区中的zval节点进行垃圾判断。 B:当缓冲区满了之后,算法以深度优先对每一个节点所包含的zval进行减1操作,为了确保不会对同一个zval的refcount重复执行减1操作,一旦zval的refcount减1之后会将zval标记成灰色。需要强调的是,这个步骤中,起初节点zval本身不做减1操作,但是如果节点zval中包含的zval又指向了节点zval(环形引用),那么这个时候需要对节点zval进行减1操作。 C:算法再次以深度优先判断每一个节点包含的zval的值,如果zval的refcount等于0,那么将其标记成白色(代表垃圾),如果zval的refcount大于0,那么将对此zval以及其包含的zval进行refcount加1操作,这个是对非垃圾的还原操作,同时将这些zval的颜色变成黑色(zval的默认颜色属性) D:遍历zval节点,将C中标记成白色的节点zval释放掉。
这ABCD四个过程是手册中对这个算法的介绍,这还不是那么容易理解其中的原理,这个算法到底是个什么意思呢?我自己的理解是这样的: 比如还是前面那个变成垃圾的数组$a对应的zval,命名为zval_a, 如果没有执行unset, zval_a的refcount为2,分别由$a和$a中的索引1指向这个zval。 用算法对这个数组中的所有元素(索引0和索引1)的zval的refcount进行减1操作,由于索引1对应的就是zval_a,所以这个时候zval_a的refcount应该变成了1,这样zval_a就不是一个垃圾。如果执行了unset操作,zval_a的refcount就是1,由zval_a中的索引1指向zval_a,用算法对数组中的所有元素(索引0和索引1)的zval的refcount进行减1操作,这样zval_a的refcount就会变成0,于是就发现zval_a是一个垃圾了。 算法就这样发现了顽固的垃圾数据。 举了这个例子,读者大概应该能够知道其中的端倪: 对于一个包含环形引用的数组,对数组中包含的每个元素的zval进行减1操作,之后如果发现数组自身的zval的refcount变成了0,那么可以判断这个数组是一个垃圾。 这个道理其实很简单,假设数组a的refcount等于m, a中有n个元素又指向a,如果m等于n,那么算法的结果是m减n,m-n=0,那么a就是垃圾,如果m>n,那么算法的结果m-n>0,所以a就不是垃圾了
m=n代表什么? 代表a的refcount都来自数组a自身包含的zval元素,代表a之外没有任何变量指向它,代表用户代码空间中无法再访问到a所对应的zval,代表a是泄漏的内存,因此GC将a这个垃圾回收了。
PHP中运用新的GC的算法 在PHP中,GC默认是开启的,你可以通过ini文件中的 zend.enable_gc 项来开启或则关闭GC。当GC开启的时候,垃圾分析算法将在节点缓冲区(roots buffer)满了之后启动。缓冲区默认可以放10,000个节点,当然你也可以通过修改Zend/zend_gc.c中的GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES 来改变这个数值,需要重新编译链接PHP。当GC关闭的时候,垃圾分析算法就不会运行,但是相关节点还会被放入节点缓冲区,这个时候如果缓冲区节点已经放满,那么新的节点就不会被记录下来,这些没有被记录下来的节点就永远也不会被垃圾分析算法分析。如果这些节点中有循环引用,那么有可能产生内存泄漏。之所以在GC关闭的时候还要记录这些节点,是因为简单的记录这些节点比在每次产生节点的时候判断GC是否开启更快,另外GC是可以在脚本运行中开启的,所以记录下这些节点,在代码运行的某个时候如果又开启了GC,这些节点就能被分析算法分析。当然垃圾分析算法是一个比较耗时的操作。 在PHP代码中我们可以通过gc_enable()和gc_disable()函数来开启和关闭GC,也可以通过调用gc_collect_cycles()在节点缓冲区未满的情况下强制执行垃圾分析算法。这样用户就可以在程序的某些部分关闭或则开启GC,也可强制进行垃圾分析算法。
新的GC算法的性能 1.防止泄漏节省内存 新的GC算法的目的就是为了防止循环引用的变量引起的内存泄漏问题,在PHP中GC算法,当节点缓冲区满了之后,垃圾分析算法会启动,并且会释放掉发现的垃圾,从而回收内存,在PHP手册上给了一段代码和内存使用状况图:
$baseMemory = memory_get_usage();
2:运行效率影响 启用了新的GC后,垃圾分析算法将是一个比较耗时的操作,手册中给了一段测试代码:
for ( $i = 0; $i <= 1000000; $i++ )
[cpp] view plain copy
(v) = ((gc_root_buffer*)((((zend_uintptr_t)(v)) & GC_COLOR) | ((zend_uintptr_t)(a))))
为什么需要这么一个复杂的过程,而且设置指针值为何还要牵扯到GC_COLOR颜色这个宏? 这里就得先说说节点的颜色信息保存方式。 在前面GC的算法简介中,提到了需要为节点上色,而实际在我们节点结构gc_root_buffer中并没有哪一个字段用来标识节点的颜色,这里GC运用了一个小的技巧:利用节点指针的低两位来标识颜色属性。可能读者会有疑问,用指针中的位来保存颜色属性,那么设置颜色后,指针不就变化了吗,那么还能查找到指针对应的结构吗? 这个还真能查到! 为什么? 这个和malloc分配的内存地址属性有一定的关系,glib的malloc分配的内存地址都会有一定的对齐,这个对齐值为2 * SIZE_SZ,在不同位的机器上这个值是不一样的,但是可以确保的是分配出来的指针的最低两位肯定是0,然后看看颜色相关的宏,GC_COLOR为0x03, 3只需要两个二进制位就能够保存,所以拿指针的最低两位来保存颜色值是没有任何问题的,但是在使用指针的时候一定要先把指针最低的两位还原成0,否则指针指向的值是错误的。
这样我们就能理解为什么GC_ADDRESS需要这么复杂了。因为v中的低2位保存了v的颜色信息,如果直接把a赋给v会覆盖掉颜色信息,通过((zend_uintptr_t)(v)) & GC_COLOR可以保留低两位的颜色信息,同时其它的位都变成了0,将这个结果同a进行"|"操作,就能将a的赋给v,同时保留了v的颜色信息。
知道了颜色信息的存储方式,那么就应该很容易理解如何设置和获取颜色信息,这里就不多介绍了。
4.节点缓冲区 GC会将收集到的节点存放到一个缓冲区中,缓冲区满的时候就开始进行垃圾分析算法。这个缓冲区实际上放在一个全局的结构中:
[cpp]
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