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2019
10-09

PHP进阶学习之垃圾回收机制详解

一、概念

垃圾回收机制是一种动态存储分配的方案。它会自动释放程序不再需要的已分配的内存块。垃圾回收机制可以让程序员不必过分关心程序内存分配,从而将更多的精力投入到业务逻辑。


在现在的流行各种语言当中,垃圾回收机制是新一代语言所共有的特征,如Python、PHP、C#、Ruby等都使用了垃圾回收机制。


二、PHP垃圾回收机制

1、在PHP5.3版本之前,使用的垃圾回收机制是单纯的“引用计数”。即:
①每个内存对象都分配一个计数器,当内存对象被变量引用时,计数器+1;
②当变量引用撤掉后(执行unset()后),计数器-1;
③当计数器=0时,表明内存对象没有被使用,该内存对象则进行销毁,垃圾回收完成。


并且PHP在一个生命周期结束后就会释放此进程/线程所占的内容,这种方式决定了PHP在前期不需要过多考虑内存的泄露问题。 


但是当两个或多个对象互相引用形成环状后,内存对象的计数器则不会消减为0;这时候,这一组内存对象已经没用了,但是不能回收,从而导致内存泄露的现象。


php5.3开始,使用了新的垃圾回收机制,在引用计数基础上,实现了一种复杂的算法,来检测内存对象中引用环的存在,以避免内存泄露。


2、随着PHP的发展,PHP开发者的增加以及其所承载的业务范围的扩大,在PHP5.3中引入了更加完善的垃圾回收机制,新的垃圾回收机制解决了无法处理循环的引用内存泄漏问题。


如官方文档所说:每个php变量存在一个叫"zval"的变量容器中。一个zval变量容器,除了包含变量的类型和值,还包括两个字节的额外信息。第一个是"is_ref",是个bool值,用来标识这个变量是否是属于引用集合(reference set)。通过这个字节,php引擎才能把普通变量和引用变量区分开来,由于php允许用户通过使用&来使用自定义引用,zval变量容器中还有一个内部引用计数机制,来优化内存使用。


第二个额外字节是"refcount",用以表示指向这个zval变量容器的变量(也称符号即symbol)个数。所有的符号存在一个符号表中,其中每个符号都有作用域(scope)。简单的理解如下图所示:



如官方文档所说,可以使用Xdebug来检查引用计数情况:

<?php $a = "new string"; $c = $b = $a; xdebug_debug_zval( 'a' ); unset( $b, $c ); xdebug_debug_zval( 'a' ); ?>


以上例程会输出:

a: (refcount=3, is_ref=0)='new string' a: (refcount=1, is_ref=0)='new string'


注意:从PHP7的NTS版本开始,以上例程的引用将不再被计数,即$c=$b=$a之后a的引用计数也是1.具体分类如下:
在PHP 7中,zval可以被引用计数或不被引用。在zval结构中有一个标志确定了这一点。
对于null,bool,int和double的类型变量,refcount永远不会计数;


②对于对象、资源类型,refcount计数和php5的一致;


对于字符串,未被引用的变量被称为“实际字符串”。而那些被引用的字符串被重复删除(即只有一个带有特定内容的被插入的字符串)并保证在请求的整个持续时间内存在,所以不需要为它们使用引用计数;如果使用了opcache,这些字符串将存在于共享内存中,在这种情况下,您不能使用引用计数(因为我们的引用计数机制是非原子的);


对于数组,未引用的变量被称为“不可变数组”。其数组本身计数与php5一致,但是数组里面的每个键值对的计数,则按前面三条的规则(即如果是字符串也不在计数);如果使用opcache,则代码中的常量数组文字将被转换为不可变数组。


再次,这些生活在共享内存,因此不能使用refcounting。

我们的demo例子如下:

<?php echo '测试字符串引用计数'; $a = "new string"; $b = $a; xdebug_debug_zval( 'a' ); unset( $b); xdebug_debug_zval( 'a' ); $b = &$a; xdebug_debug_zval( 'a' ); echo '测试数组引用计数'; $c = array('a','b'); xdebug_debug_zval( 'c' ); $d = $c; xdebug_debug_zval( 'c' ); $c[2]='c'; xdebug_debug_zval( 'c' ); echo '测试int型计数'; $e = 1; xdebug_debug_zval( 'e' );


看到的输出如下:


三、回收周期

默认的,PHP的垃圾回收机制是打开的,然后有个php.ini设置允许你修改它:zend.enable_gc 。


当垃圾回收机制打开时,算法会判断每当根缓存区存满时,就会执行循环查找。根缓存区有固定的大小,默认10,000,可以通过修改PHP源码文件Zend/zend_gc.c中的常量GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES,然后重新编译PHP,来修改这个值。当垃圾回收机制关闭时,循环查找算法永不执行,然而,根将一直存在根缓冲区中,不管在配置中垃圾回收机制是否激活。


除了修改配置zend.enable_gc ,也能通过分别调用gc_enable() 和 gc_disable()函数在运行php时来打开和关闭垃圾回收机制。调用这些函数,与修改配置项来打开或关闭垃圾回收机制的效果是一样的。即使在可能根缓冲区还没满时,也能强制执行周期回收。你能调用gc_collect_cycles()函数达到这个目的。这个函数将返回使用这个算法回收的周期数。


允许打开和关闭垃圾回收机制并且允许自主的初始化的原因,是由于你的应用程序的某部分可能是高时效性的。在这种情况下,你可能不想使用垃圾回收机制。当然,对你的应用程序的某部分关闭垃圾回收机制,是在冒着可能内存泄漏的风险,因为一些可能根也许存不进有限的根缓冲区。


因此,就在你调用gc_disable()函数释放内存之前,先调用gc_collect_cycles()函数可能比较明智。因为这将清除已存放在根缓冲区中的所有可能根,然后在垃圾回收机制被关闭时,可留下空缓冲区以有更多空间存储可能根。


四、性能影响

1、内存占用空间的节省

首先,实现垃圾回收机制的整个原因是为了一旦先决条件满足,通过清理循环引用的变量来节省内存占用。在PHP执行中,一旦根缓冲区满了或者调用gc_collect_cycles() 函数时,就会执行垃圾回收。


2、执行时间增加

垃圾回收影响性能的第二个领域是它释放已泄漏的内存耗费的时间。
通常,PHP中的垃圾回收机制,仅仅在循环回收算法确实运行时会有时间消耗上的增加。但是在平常的(更小的)脚本中应根本就没有性能影响。


3、在平常脚本中有循环回收机制运行的情况下,内存的节省将允许更多这种脚本同时运行在你的服务器上。因为总共使用的内存没达到上限。


这种好处在长时间运行脚本中尤其明显,诸如长时间的测试套件或者daemon脚本此类。同时,对通常比Web脚本运行时间长的脚本应用程序,新的垃圾回收机制,应该会大大改变一直以来认为内存泄漏问题难以解决的看法。

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