php 内存管理

2022-04-14 04:03:58

内存是计算机?常关键的部件之?，是暂时存储程序以及数据的空间，CPU只有有限的寄存器可以?于存储计算数据，??部分的数据都是存储在内存中的，程序运?都是在内存中进?的。和CPU计算能??样，内存也是决定计算效率的?个关键部分。

计算中的资源中主要包含：CPU计算能?，内存资源以及I/O。现代计算机为了充分利?资源，?出现了多任务操作系统，通过进程调度来共享CPU计算资源，通过虚拟存储来分享内存存储能?。本章的内存管理中不会介绍操作系统级别的虚拟存储技术，?是关注在应?层?：如何?效的利?有限的内存资源。

?前除了使?C/C++等这类的低层编程语?以外，很多编程语?都将内存管理移到了语?之后，例如Java, 各种脚本语?:PHP/Python/Ruby等等，程序?动维护内存的成本?常?， ?这些脚本语?或新型语?都专注于特定领域，这样能将程序员从内存管理中解放出来专注于业务的实现。虽然程序员不需要?动
维护内存，?在程序运?过程中内存的使?还是要进?管理的，内存管理的?作也就编程语?实现程序员的?作了。

内存管理的主要?作是尽可能?效的利?内存。

内存的使?操作包括申请内存，销毁内存，修改内存的??等。如果申请了内存在使?完后没有及时释放则可能会造成内存泄露，如果这种情况出现在常驻程序中，久?久之，程序会把机器的内存耗光。所以对于类似于PHP这样没有低层内存管理的语?来说，内存管理是其?关重要的?个模块，它在很?程序上决定了程序的执?效率。

在PHP层?来看，定义的变量、类、函数等等实体在运?过程中都会涉及到内存的申请和释放，例如变量可能会在超出作?域后会进?销毁，在计算过程中会产?的临时数据等都会有内存操作，像类对象，函数定义等数据则会在请求结束之后才会被释放。在这过程中合适申请内存合适释放内存就?较关键了。PHP从开始就有?套属于??的内存管理机制，在5.3之前使?的是经典的引?计数技术，但引?技术存在?定的技术缺陷，在PHP5.3之后，引?了新的垃圾回收机制，?此，PHP的内存管理机制更加完善。

本章将介绍PHP语?实现中的内存管理技术实现。

第?节内存管理概述

从某个意义上讲，资源总是有限的，计算机资源也是如此，衡量?个计算机处理能?的指标有很多，根据不同的应?需要也会有不同的指标，?如3D游戏对显卡的性能有要求，?Web服务器对吞吐量及响应时间有要求，通常CPU、内存及硬盘的读取和计算速度具有决定性的作?，在同?时刻这些资源是有限的，正是因为有限我们才需要合理的利?他们。

操作系统的内存管理

当计算机的电源被打开之后，不管你使?的是什么操作系统，这些软件可能已经在使?内存了。这是由计算机的结构决定的，操作系统也是?种软件，只不过它是?较特殊的软件，管理计算机的所有资源，普通应?程序和操作系统的关系有点像?师和学?，?师通常管理?切， ?学?的?为会受到?师或学校规定的限制，例如普通应?程序?法直接访问物理内存或者其他硬件资源。

操作系统直接管理着内存，所以操作系统也需要进?内存管理，内存管理是如此之重要，计算机中通常都有内存管理单元(MMU) ?于处理CPU对内存的访问。

应?层的内存管理

由于计算机的内存由操作系统进?管理，所以普通应?程序是?法直接对内存进?访问的，应?程序只能向操作系统申请内存，通常的应?也是这么做的，在需要的时候通过类似malloc之类的库函数向操作系统申请内存，在?些对性能要求较?的应?场景下是需要频繁的使?和释放内存的， ?如Web服务器，
编程语?等，由于向操作系统申请内存空间会引发系统调?，系统调?和普通的应?层函数调?性能差别?常?，因为系统调?会将CPU从?户态切换到内核，因为涉及到物理内存的操作，只有操作系统才能进?，?这种切换的成本是?常?的，如果频繁的在内核态和?户态之间切换会产?性能问题。

鉴于系统调?的开销，?些对性能有要求的应?通常会??在?户态进?内存管理，例如第?次申请稍?的内存留着备?，?使?完释放的内存并不是马上归还给操作系统，可以将内存进?复?，这样可以避免多次的内存申请和释放所带来的性能消耗。

PHP不需要显式的对内存进?管理，这些?作都由Zend引擎进?管理了。PHP内部有?个内存管理体系，它会?动将不再使?的内存垃圾进?释放，这部分的内容后?的?节会介绍到。

PHP中内存相关的功能特性

可能有很多的读者碰到过类似下?的错误吧:

Fatal error: Allowed memory size of X bytes exhausted (tried to allocate Y bytes)

这个错误的信息很明确，PHP已经达到了允许使?的最?内存了，通常上来说这很有可能是我们的程序编写的有些问题。 ?如：?次性读取超?的?件到内存中，或者出现超?的数组，或者在?循环中的没有及时是放掉不再使?的变量，这些都有可能会造成内存占?过??被终?。

PHP默认的最?内存使???是32M, 如果你真的需要使?超过32M的内存可以修改php.ini配置?件的如下配置:

memory_limit = 32M

如果你?法修改php配置?件，如果你的PHP环境没有禁?ini_set()函数，也可以动态的修改最?的内存占???:

<?php
ini_set("memory_limit", "128M");

既然我们能动态的调整最?的内存占?，那我们是否有办法获取?前的内存占?情况呢？答案是肯定的。

1. memory_get_usage()，这个函数的作?是获取?前PHP脚本所?的内存??。
2. memory_get_peak_usage()，这个函数的作?返回当前脚本到?前位置所占?的内存峰值，这样就可能获取到?前的脚本的内存需求情况。

单就PHP?户空间提供的功能来说，我们似乎?法控制内存的使?，只能被动的获取内存的占?情况，这样的话我们学习内存管理有什么?呢？

前?的章节有介绍到引?计数，函数表，符号表，常量表等。当我们明?这些信息都会占?内存的时候，我们可以有意的避免不必要的浪费内存，?如我们在项?中通常会使?autoload来避免?次性把不?定会使?的类包含进来，?这些信息是会占?内存的，如果我们及时把不再使?的变量unset掉之后可能会释放掉它所占?的空间。

前?之所以会说把变量unset掉时候可能会把它释放掉的原因是：在PHP中为了避免不必要的内存复制，采?了引?计数和写时复制的技术，所以这?unset只是将引?关系打破，如果还有其他变量指向该内存，它所占?的内存还是不会被释放的。当然这还有?种情况：出现循环引?，这个就得靠gc来处理了，内存不会当时就是放，只有在gc环节才会被释放。

后?的章节主要介绍PHP在运?时的内存使?和管理细节。这也能帮助我们写出更为内存友好的PHP代码。

第?节 PHP中的内存管理

在前?的?节中我们介绍了内存管理?般会包括以下内容：

1. 是否有?够的内存供我们的程序使?；
2. 如何从?够可?的内存中获取部分内存；
3. 对于使?后的内存，是否可以将其销毁并将其重新分配给其它程序使?。

与此对应，PHP的内容管理也包含这样的内容，只是这些内容在ZEND内核中是以宏的形式作为接?提供给外部使?。后?两个操作分别对应emalloc宏、efree宏，?第?个操作可以根据emalloc宏返回结果检测。

PHP的内存管理可以被看作是分层（hierarchical）的。它分为三层：存储层（storage）、堆层（heap）和接?层（emalloc/efree）。存储层通过 malloc()、mmap() 等函数向系统真正的申请内存，并通过 free() 函数释放所申请的内存。存储层通常申请的内存块都?较?，这?申请的内存?并不是指
storage层结构所需要的内存?，只是堆层通过调?存储层的分配?法时，其以?块?块的?式申请的内存，存储层的作?是将内存分配的?式对堆层透明化。如图6.1所?，PHP内存管理器。PHP在存储层共有4种内存分配?案: malloc，win32，mmap_anon，mmap_zero，默认使?malloc分配内存，如果设置了ZEND_WIN32宏，则为windows版本，调?HeapAlloc分配内存，剩下两种内存?案为匿名内存映射，并且PHP的内存?案可以通过设置环境变量来修改。

图6.1 PHP内存管理器

?先我们看下接?层的实现，接?层是?些宏定义，如下：

/* Standard wrapper macros */
#define emalloc(size) _emalloc((size) ZEND_FILE_LINE_CC，ZEND_FILE_LINE_EMPTY_CC)
#define safe_emalloc(nmemb, size, offset) _safe_emalloc((nmemb), (size),(offset) ZEND_FILE_LINE_CC ZEND_FILE_LINE_EMPTY_CC)
#define efree(ptr) _efree((ptr) ZEND_FILE_LINE_CC
ZEND_FILE_LINE_EMPTY_CC)
#define ecalloc(nmemb, size) _ecalloc((nmemb), (size)
ZEND_FILE_LINE_CC ZEND_FILE_LINE_EMPTY_CC)
#define erealloc(ptr, size) _erealloc((ptr), (size), 0
ZEND_FILE_LINE_CC ZEND_FILE_LINE_EMPTY_CC)
#define safe_erealloc(ptr, nmemb, size, offset) _safe_erealloc((ptr), (nmemb),
(size), (offset) ZEND_FILE_LINE_CC ZEND_FILE_LINE_EMPTY_CC)
#define erealloc_recoverable(ptr, size) _erealloc((ptr), (size), 1
ZEND_FILE_LINE_CC ZEND_FILE_LINE_EMPTY_CC)
#define estrdup(s) _estrdup((s) ZEND_FILE_LINE_CC
ZEND_FILE_LINE_EMPTY_CC)
#define estrndup(s, length) _estrndup((s), (length)
ZEND_FILE_LINE_CC ZEND_FILE_LINE_EMPTY_CC)
#define zend_mem_block_size(ptr) _zend_mem_block_size((ptr)
TSRMLS_CC ZEND_FILE_LINE_CC ZEND_FILE_LINE_EMPTY_CC)

这?为什么没有直接调?函数？因为这些宏相当于?个接?层或中间层，定义了?个?层次的接?，使得调?更加容易。它隔离了外部调?和PHP内存管理的内部实现，实现了?种松耦合关系。虽然PHP不限制这些函数的使?，但是官??档还是建议使?这些宏。这?的接?层有点门?模式(facade模式)的味道。

在接?层下?是PHP内存管理的核?实现，我们称之为heap层。这个层控制整个PHP内存管理的过程，?先我们看这个层的结构：

/* mm block type */
typedef struct _zend_mm_block_info {
    size_t _size; /* block的??*/
    size_t _prev; /* 计算前?个块有?到*/
} zend_mm_block_info;
typedef struct _zend_mm_block {
    zend_mm_block_info info;
} zend_mm_block;
typedef struct _zend_mm_small_free_block { /* 双向链表 */
    zend_mm_block_info info;
    struct _zend_mm_free_block *prev_free_block; /* 前?个块 */
    struct _zend_mm_free_block *next_free_block; /* 后?个块 */
} zend_mm_small_free_block; /* ?的空闲块*/
typedef struct _zend_mm_free_block { /* 双向链表 + 树结构 */
    zend_mm_block_info info;
    struct _zend_mm_free_block *prev_free_block; /* 前?个块 */
    struct _zend_mm_free_block *next_free_block; /* 后?个块 */
    struct _zend_mm_free_block **parent; /* ?结点 */
    struct _zend_mm_free_block *child[2]; /* 两个?结点*/
} zend_mm_free_block;

struct _zend_mm_heap {
    int use_zend_alloc; /* 是否使?zend内存管理器 */
    void *(*_malloc)(size_t); /* 内存分配函数*/
    void (*_free)(void*); /* 内存释放函数*/
    void *(*_realloc)(void*, size_t);
    size_t free_bitmap; /* ?块空闲内存标识 */
    size_t large_free_bitmap; /* ?块空闲内存标识*/
    size_t block_size; /* ?次内存分配的段??，即ZEND_MM_SEG_SIZE指定的??，默认为ZEND_MM_SEG_SIZE (256 * 1024)*/
    size_t compact_size; /* 压缩操作边界值，为ZEND_MM_COMPACT指定??，默认为 2 * 1024 * 1024*/
    zend_mm_segment *segments_list; /* 段指针列表 */
    zend_mm_storage *storage; /* 所调?的存储层 */
    size_t real_size; /* 堆的真实?? */
    size_t real_peak; /* 堆真实??的峰值 */
    size_t limit; /* 堆的内存边界 */
    size_t size; /* 堆?? */
    size_t peak; /* 堆??的峰值*/
    size_t reserve_size; /* 备?堆??*/
    void *reserve; /* 备?堆 */
    int overflow; /* 内存溢出数*/
    int internal;
#if ZEND_MM_CACHE
    unsigned int cached; /* 已缓存?? */
    zend_mm_free_block *cache[ZEND_MM_NUM_BUCKETS]; /* 缓存数组/
#endif
    zend_mm_free_block *free_buckets[ZEND_MM_NUM_BUCKETS*2]; /* ?块内存数组，相当索引的?? */
    zend_mm_free_block *large_free_buckets[ZEND_MM_NUM_BUCKETS]; /* ?块内存数组，相当索引的?? */
    zend_mm_free_block *rest_buckets[2]; /* 剩余内存数组*/
};

当初始化内存管理时，调?函数是zend_mm_startup。它会初始化storage层的分配?案，初始化段??，压缩边界值，并调?zend_mm_startup_ex()初始化堆层。这?的分配?案就是图6.1所?的四种?案，它对应的环境变量名为：ZEND_MM_MEM_TYPE。这?的初始化的段??可以通过
ZEND_MM_SEG_SIZE设置，如果没设置这个环境变量，程序中默认为256 * 1024。这个值存储在_zend_mm_heap结构的block_size字段中，将来在维护的三个列表中都没有可?的内存中，会参考这个值的??来申请内存的??。

PHP中的内存管理主要?作就是维护三个列表：?块内存列表（free_buckets）、 ?块内存列表（large_free_buckets）和剩余内存列表（rest_buckets）。看到bucket这个单词是不是很熟悉？在前?我们介绍HashTable时，这就是?个重要的??，它作为HashTable中的?个单元??。在这?，每个bucket也对应?定??的内存块列表，这样的列表都包含双向链表的实现。

我们可以把维护的前?两个表看作是两个HashTable，那么，每个HashTable都会有??的hash函数。 ?先我们来看free_buckets列表，这个列表?来存储?块的内存分配，其hash函数为：

#define ZEND_MM_BUCKET_INDEX(true_size)
((true_size>>ZEND_MM_ALIGNMENT_LOG2)-(ZEND_MM_ALIGNED_MIN_HEADER_SIZE>>ZEND_MM_ALIGNMENT_LOG2))

假设ZEND_MM_ALIGNMENT为8（如果没有特殊说明，本章的ZEND_MM_ALIGNMENT的值都为8），则ZEND_MM_ALIGNED_MIN_HEADER_SIZE=16，若此时true_size=256，则((256>>3)-(16>>3))= 30。当ZEND_MM_BUCKET_INDEX宏出现时，ZEND_MM_SMALL_SIZE宏?般也会同时出现， ZEND_MM_SMALL_SIZE宏的作?是判断所申请的内存??是否为?块的内存，在上?的?例中，
?于272Byte的内存为?块内存，则index最多只能为31，这样就保证了free_buckets不会出现数组溢出的情况。

在内存管理初始化时，PHP内核对初始化free_buckets列表。从heap的定义我们可知free_buckets是?个数组指针，其存储的本质是指向zend_mm_free_block结构体的指针。开始时这些指针都没有指向具体的元素，只是?个简单的指针空间。 free_buckets列表在实际使?过程中只存储指针，这些指针以两个为?对（即数组从0开始，两个为?对），分别存储?个个双向链表的头尾指针。其结构如图6.2所?。

图6.2 free_buckets列表结构

对于free_buckets列表位置的获取，关键在于ZEND_MM_SMALL_FREE_BUCKET宏，宏代码如下：

#define ZEND_MM_SMALL_FREE_BUCKET(heap, index) \
(zend_mm_free_block*) ((char*)&heap->free_buckets[index * 2] + sizeof(zend_mm_free_block*) * 2 -sizeof(zend_mm_small_free_block))

仔细看这个宏实现，发现在它的计算过程是取free_buckets列表的偶数位的内存地址加上两个指针的内存?? 并减去zend_mm_small_free_block结构所占空间的??。 ?zend_mm_free_block结构和zend_mm_small_free_block结构的差距在于两个指针。据此计算过程可知，ZEND_MM_SMALL_FREE_BUCKET宏会获取free_buckets列表 index对应双向链表的第?个zend_mm_free_block的prev_free_block指向的位置。 free_buckets的计算仅仅与prev_free_block指针和next_free_block指针相关，所以free_buckets列表也仅仅需要存储这两个指针。

那么，这个数组在最开始是怎样的呢？在初始化函数zend_mm_init中free_buckets与large_free_buckts列表?起被初始化。如下代码：

p = ZEND_MM_SMALL_FREE_BUCKET(heap, 0);
for (i = 0; i < ZEND_MM_NUM_BUCKETS; i++) {
    p->next_free_block = p;
    p->prev_free_block = p;
    p = (zend_mm_free_block*)((char*)p + sizeof(zend_mm_free_block*) * 2);
    heap->large_free_buckets[i] = NULL;
}

继续...

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