Explication approfondie du contenu lié au garbage collection PHP et à la gestion de la mémoire

Cet article décrira le contenu lié au garbage collection et à la gestion de la mémoire dans le processus de développement de PHP.

Comptage de références

Dans PHP 5.2 et les versions précédentes, le garbage collection de PHP utilise l'algorithme Comptage de références.

Connaissance de base du comptage de références

Connaissance de base du comptage de références

Les variables PHP sont stockées dans le conteneur de variables "zval" (structure de données). L'attribut "zval" contient les informations suivantes :

• Le type de données. de la variable actuelle ;
• La valeur de la variable actuelle ;
• L'identifiant de type booléen is_ref utilisé pour identifier si la variable est passée par référence
• L'identifiant refcount pointant vers le nombre de variables dans le conteneur de variables "zval" ; (c'est-à-dire le nombre de fois que ce zval a été référencé, faites attention ici. La référence ne fait pas référence au passage par valeur, veuillez faire attention à la distinction).

Lorsqu'une variable reçoit une valeur, un conteneur de variable "zavl" correspondant sera généré. [Apprentissage recommandé : Tutoriel vidéo PHP]

Afficher les informations sur le conteneur zval de la variable

Pour afficher les informations sur le conteneur "zval" de la variable (c'est-à-dire afficher l'is_ref et le refcount de la variable), vous pouvez utiliser le xdebug_debug_zval() fonction de l'outil de débogage XDebug .

Pour savoir comment installer le plug-in d'extension XDebug, vous pouvez consulter ce tutoriel (https://github.com/huliuqing/phpnotes/issues/58 Pour savoir comment utiliser XDebug, veuillez lire le document officiel (https :). //xdebug.org/docs/) .

Supposons que nous avons installé avec succès l'outil XDebug et que nous pouvons désormais déboguer les variables.

• Affichez les informations zval des variables ordinaires

Si notre instruction PHP attribue simplement une variable, la valeur de l'identifiant is_ref est 0 et la valeur refcount est 1 si cette variable est affectée comme valeur à une autre variable, alors augmentez la valeur ; refcount count du conteneur de variable zval ; de même, lorsque la variable est détruite (non définie), le "refcount" est soustrait de 1 en conséquence.

Veuillez consulter l'exemple ci-dessous :

<?php // 变量赋值时，refcount 值等于 1
$name = &#39;liugongzi&#39;;
xdebug_debug_zval(&#39;name&#39;); // (refcount=1, is_ref=0)string &#39;liugongzi&#39; (length=9)

// $name 作为值赋值给另一个变量， refcount 值增加 1
$copy = $name;
xdebug_debug_zval(&#39;name&#39;); // (refcount=2, is_ref=0)string &#39;liugongzi&#39; (length=9)

// 销毁变量，refcount 值减掉 1
unset($copy);
xdebug_debug_zval(&#39;name&#39;); // (refcount=1, is_ref=0)string &#39;liugongzi&#39; (length=9)

• Copie en écriture

Copie en écriture (COW), simplement décrite comme : Si une valeur est affectée à une variable par affectation, la nouvelle mémoire ne sera pas allouée pour stocker la nouvelle valeur. La valeur enregistrée par la variable partage simplement la mémoire via un compteur. Ce n'est que lorsque la valeur pointée par l'une des références à la variable change qu'un nouvel espace est alloué pour enregistrer le contenu de la valeur afin de réduire l'utilisation de la mémoire. - Copie sur écriture TPIP

Grâce aux informations zval des variables simples précédentes, nous savons que $copy et $name partagent le conteneur de variable zval (mémoire), puis utilisons refcount pour indiquer combien de variables sont actuellement utilisées par cette utilisation zval.

Regardez un exemple :

<?php $name = &#39;liugongzi&#39;;
xdebug_debug_zval(&#39;name&#39;); // name: (refcount=1, is_ref=0)string &#39;liugongzi&#39; (length=9)

$copy = $name;
xdebug_debug_zval(&#39;name&#39;); // name: (refcount=2, is_ref=0)string &#39;liugongzi&#39; (length=9)

// 将新的值赋值给变量 $copy
$copy = &#39;liugongzi handsome&#39;;
xdebug_debug_zval(&#39;name&#39;); // name: (refcount=1, is_ref=0)string &#39;liugongzi&#39; (length=9)
xdebug_debug_zval(&#39;copy&#39;); // copy: (refcount=1, is_ref=0)=&#39;liugongzi handsome&#39;

Avez-vous remarqué que lorsque la valeur liugongzi beau est affectée à la variable $copy, les valeurs de refcount​​de nom et de copie deviennent 1. Dans ce processus, les éléments suivants les opérations se produisent :

• Séparer la copie de $ du zval de $name (c'est-à-dire la copie) ;
• Soustraire le compte de $name de 1 ; Voici juste une brève introduction à « copier en écrivant ». Les amis intéressés peuvent lire les documents de référence donnés à la fin de l'article pour une recherche plus approfondie.
• Affichez les informations zval de la variable passée par référence

is_ref
• est
1

Regardons maintenant un exemple de passage par référence :

<?php $age = &#39;liugongzi&#39;;
xdebug_debug_zval(&#39;age&#39;); // (refcount=1, is_ref=0)string &#39;liugongzi&#39; (length=9)

$copy = &$age;
xdebug_debug_zval(&#39;age&#39;); // (refcount=2, is_ref=1)string &#39;liugongzi&#39; (length=9)

unset($copy);
xdebug_debug_zval(&#39;age&#39;); // (refcount=1, is_ref=1)string &#39;liugongzi&#39; (length=9)

• Pour une meilleure explication, regardons d'abord l'exemple de comptage de références d'un tableau :

$a = array( 'meaning' => 'life', 'number' => 42 );
xdebug_debug_zval( 'a' );

// a:
// (refcount=1, is_ref=0)
// array (size=2)
//  'meaning' => (refcount=1, is_ref=0)string 'life' (length=4)
//  'number' => (refcount=1, is_ref=0)int 42

À partir de l'image, nous constatons que les règles de comptage de références des types composites sont fondamentalement la même chose que le comptage des scalaires. Les règles sont les mêmes, dans l'exemple donné, PHP créera 3 conteneurs de variables zval, un pour stocker le tableau lui-même et deux pour stocker les éléments du tableau.

Lors de l'ajout d'un élément existant au tableau, son compteur de référence sera augmenté de 1.

$a = array( 'meaning' => 'life', 'number' => 42 );
xdebug_debug_zval( 'a' );
$a['life'] = $a['meaning'];
xdebug_debug_zval( 'a' );

// a:
// (refcount=1, is_ref=0)
// array (size=3)
//  'meaning' => (refcount=2, is_ref=0)string 'life' (length=4)
//  'number' => (refcount=0, is_ref=0)int 42
//  'life' => (refcount=2, is_ref=0)string 'life' (length=4)

• 内存泄露

虽然，复合类型的引用计数规则同标量类型大致相同，但是如果引用的值为变量自身（即循环应用），在处理不当时，就有可能会造成内存泄露的问题。

让我们来看看下面这个对数组进行引用传值的示例：

<?php // @link http://php.net/manual/zh/function.memory-get-usage.php#96280
function convert($size)
{
    $unit=array(&#39;b&#39;,&#39;kb&#39;,&#39;mb&#39;,&#39;gb&#39;,&#39;tb&#39;,&#39;pb&#39;);
    return @round($size/pow(1024,($i=floor(log($size,1024)))),2).&#39; &#39;.$unit[$i];
}

// 注意：有用的地方从这里开始
$memory = memory_get_usage();

$a = array( &#39;one&#39; );

// 引用自身（循环引用）
$a[] =&$a;

xdebug_debug_zval( &#39;a&#39; );

var_dump(convert(memory_get_usage() - $memory)); // 296 b

unset($a); // 删除变量 $a，由于 $a 中的元素引用了自身（循环引用）最终导致 $a 所使用的内存无法被回收

var_dump(convert(memory_get_usage() - $memory)); // 568 b

从内存占用结果上看，虽然我们执行了 unset($a) 方法来销毁 $a 数组，但内存并没有被回收，整个处理过程的示意图如下：

可以看到对于这块内存，再也没有符合表（变量）指向了，所以 PHP 无法完成内存回收，官方给出的解释如下：

尽管不再有某个作用域中的任何符号指向这个结构 (就是变量容器)，由于数组元素 “1” 仍然指向数组本身，所以这个容器不能被清除 。因为没有另外的符号指向它，用户没有办法清除这个结构，结果就会导致内存泄漏。庆幸的是，php 将在脚本执行结束时清除这个数据结构，但是在 php 清除之前，将耗费不少内存。如果你要实现分析算法，或者要做其他像一个子元素指向它的父元素这样的事情，这种情况就会经常发生。当然，同样的情况也会发生在对象上，实际上对象更有可能出现这种情况，因为对象总是隐式的被引用。 - 摘自 官方文档 Cleanup Problems

简单来说就是「引用计数」算法无法检测并释放循环引用所使用的内存，最终导致内存泄露。

引用计数系统的同步周期回收

由于引用计数算法存在无法回收循环应用导致的内存泄露问题，在 PHP 5.3 之后对内存回收的实现做了优化，通过采用 引用计数系统的同步周期回收 算法实现内存管理。引用计数系统的同步周期回收算法是一个改良版本的引用计数算法，它在引用基础上做出了如下几个方面的增强：

• 引入了可能根（possible root）的概念：通过引用计数相关学习，我们知道如果一个变量（zval）被引用，要么是被全局符号表中的符号引用（即变量），要么被复杂类型（如数组）的 zval 中的符号（数组的元素）引用，那么这个 zval 变量容器就是「可能根」。
• 引入根缓冲区（root buffer）的概念：根缓冲区用于存放所有「可能根」，它是固定大小的，默认可存 10000 个可能根，如需修改可以通过修改 PHP 源码文件 Zend/zend_gc.c 中的常量 GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES，再重新编译。
• 回收周期：当缓冲区满时，对缓冲区中的所有可能根进行垃圾回收处理。

下图（来自 PHP 手册）,展示了新的回收算法执行过程：

引用计数系统的同步周期回收过程

1. 缓冲区（紫色框部分，称为疑似垃圾），存储所有可能根（步骤 A）；
2. 采用深度优先算法遍历「根缓冲区」中所有的「可能根（即 zval 遍历容器）」，并对每个 zval 的 refcount 减 1，为了避免遍历时对同一个 zval 多次减 1（因为不同的根可能遍历到同一个 zval）将这个 zvel 标记为「已减」（步骤 B）；
3. 再次采用深度优先遍历算法遍历「可能根 zval」。当 zval 的 refcount 值不为 0 时，对其加 1,否则保持为 0。并请已遍历的 zval 变量容器标记为「已恢复」（即步骤 B 的逆运算）。那些 zval 的 refcount 值为 0 （蓝色框标记）的就是应该被回收的变量（步骤 C）；
4. 删除所有 refcount 为 0 的可能根（步骤 D）。

整个过程为：

采用深度优先算法执行：默认删除 > 模拟恢复 > 执行删除 达到内存回收的目的。

优化后的引用计数算法优势

• 将内存泄露控制在阀值内，这个由缓存区实现，达到缓冲区大小执行新一轮垃圾回收；
• 提升了垃圾回收性能，不是每次 refcount 减 1 都执行回收处理，而是等到根缓冲区满时才开始执行垃圾回收。

你可以从 PHP 手册 的回收周期 了解更多，也可以阅读文末给出的参考资料。

PHP 7 的内存管理

PHP 5 中 zval 实现上的主要问题：

• zval alloue toujours de la mémoire à partir du tas seul  ;
• zval stocke toujours les informations de comptage et de recyclage de références , même pour les données entières (bool/null) qui peuvent ne pas nécessiter de telles informations ;
• Lors de l'utilisation d'objets ou de ressources, les références directes entraîneront un double comptage ;
• Certains accès indirects nécessitent une meilleure gestion. Par exemple, l'accès aux objets stockés dans des variables utilise désormais indirectement quatre pointeurs (la longueur de la chaîne de pointeurs est de quatre) 
• Le comptage direct signifie que les valeurs ne peuvent être partagées qu'entre zvals. Cela ne fonctionne pas si vous souhaitez partager une chaîne entre un zval et une clé de table de hachage (sauf si la clé de table de hachage est également un zval).

Ajustements à l'implémentation de la structure de données zval dans PHP 7 :

Le changement le plus fondamental est que la mémoire requise par zval n'est plus allouée séparément du tas et zval ne stocke plus le nombre de références. Le nombre de références des types de données complexes (tels que les chaînes, les tableaux et les objets) est stocké par lui-même. - Extrait de Représentation des valeurs internes en PHP 7 - Partie 1【Traduction】

Les types de données simples n'ont pas besoin d'allouer de la mémoire séparément et n'ont pas besoin d'être comptés ; double comptage. Dans un objet, seul le nombre stocké dans l'objet lui-même est valide ;
• Puisque le nombre est désormais stocké par la valeur elle-même (PHP a un stockage de conteneur de variables zval), il peut être partagé avec des données dans des structures non-zval, telles que entre zval et le temps clé de la table de hachage ;
• Le nombre de pointeurs requis pour l'accès indirect est réduit.
• Pour des détails plus spécifiques sur l'implémentation de PHP 7 zval et l'optimisation de la mémoire, vous pouvez lire Compréhension approfondie du noyau PHP7 zval et Représentation des valeurs internes dans la traduction PHP 7 - Partie 1. (https://www.npopov.com/2015/05/05/Internal-value-representation-in-PHP-7-part-1.html)