【PHP】垃圾回收机制

这部分将说明PHP 5.3的新的垃圾回收机制（也就是GC）的特点。

• 引用计数基本知识
• 回收周期(Collecting Cycles)
• 性能方面考虑的因素
• 推荐阅读

引用计数基本知识

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)，那些主脚本(比如：通过浏览器请求的的脚本)和每个函数或者方法也都有作用域。

当一个变量被赋常量值时，就会生成一个zval变量容器，如下例这样：

Example #1 Creating a new zval container

<?php
$a = "new string";
?>

在上例中，新的变量a，是在当前作用域中生成的。并且生成了类型为 string 和值为new string的变量容器。在额外的两个字节信息中，"is_ref"被默认设置为 FALSE，因为没有任何自定义的引用生成。"refcount" 被设定为 1，因为这里只有一个变量使用这个变量容器. 注意到当"refcount"的值是1时，"is_ref"的值总是FALSE. 如果你已经安装了» Xdebug，你能通过调用函数xdebug_debug_zval()显示"refcount"和"is_ref"的值。

Example #2 Displaying zval information

<?php
xdebug_debug_zval('a');
?>

以上例程会输出：

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

把一个变量赋值给另一变量将增加引用次数(refcount).

Example #3 Increasing refcount of a zval

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

以上例程会输出：

a: (refcount=2, is_ref=0)='new string'

这时，引用次数是2，因为同一个变量容器被变量 a 和变量 b关联.当没必要时，php不会去复制已生成的变量容器。变量容器在”refcount“变成0时就被销毁. 当任何关联到某个变量容器的变量离开它的作用域(比如：函数执行结束)，或者对变量调用了函数 unset()时，”refcount“就会减1，下面的例子就能说明:

Example #4 Decreasing zval refcount

<?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'

如果我们现在执行 unset($a);，包含类型和值的这个变量容器就会从内存中删除。

复合类型(Compound Types)

当考虑像 array和object这样的复合类型时，事情就稍微有点复杂. 与 标量(scalar)类型的值不同，array和 object类型的变量把它们的成员或属性存在自己的符号表中。这意味着下面的例子将生成三个zval变量容器。

Example #5 Creating a array zval

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

以上例程的输出类似于：

a: (refcount=1, is_ref=0)=array (   'meaning' => (refcount=1, is_ref=0)='life',   'number' => (refcount=1, is_ref=0)=42)

Or graphically

这三个zval变量容器是: a，meaning和 number。增加和减少”refcount”的规则和上面提到的一样. 下面, 我们在数组中再添加一个元素,并且把它的值设为数组中已存在元素的值:

Example #6 Adding already existing element to an array

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

以上例程的输出类似于：

a: (refcount=1, is_ref=0)=array (   'meaning' => (refcount=2, is_ref=0)='life',   'number' => (refcount=1, is_ref=0)=42,   'life' => (refcount=2, is_ref=0)='life')

Or graphically

从以上的xdebug输出信息，我们看到原有的数组元素和新添加的数组元素关联到同一个"refcount"2的zval变量容器. 尽管 Xdebug的输出显示两个值为'life'的 zval 变量容器，其实是同一个。 函数 xdebug_debug_zval()不显示这个信息，但是你能通过显示内存指针信息来看到。

删除数组中的一个元素，就是类似于从作用域中删除一个变量. 删除后,数组中的这个元素所在的容器的“refcount”值减少，同样，当“refcount”为0时，这个变量容器就从内存中被删除，下面又一个例子可以说明：

Example #7 Removing an element from an array

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

以上例程的输出类似于：

a: (refcount=1, is_ref=0)=array (   'life' => (refcount=1, is_ref=0)='life')

现在，当我们添加一个数组本身作为这个数组的元素时，事情就变得有趣，下个例子将说明这个。例中我们加入了引用操作符，否则php将生成一个复制。

Example #8 Adding the array itself as an element of it self

<?php
$a = array( 'one' );
$a[] =& $a;
xdebug_debug_zval( 'a' );
?>

以上例程的输出类似于：

a: (refcount=2, is_ref=1)=array (   0 => (refcount=1, is_ref=0)='one',   1 => (refcount=2, is_ref=1)=...)

Or graphically

能看到数组变量 (a) 同时也是这个数组的第二个元素(1) 指向的变量容器中“refcount”为 2。上面的输出结果中的"..."说明发生了递归操作, 显然在这种情况下意味着"..."指向原始数组。

跟刚刚一样，对一个变量调用unset，将删除这个符号，且它指向的变量容器中的引用次数也减1。所以，如果我们在执行完上面的代码后，对变量$a调用unset, 那么变量 $a 和数组元素 "1" 所指向的变量容器的引用次数减1, 从"2"变成"1". 下例可以说明:

Example #9 Unsetting $a

(refcount=1, is_ref=1)=array (   0 => (refcount=1, is_ref=0)='one',   1 => (refcount=1, is_ref=1)=...)

Or graphically

清理变量容器的问题(Cleanup Problems)

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将在请求结束时清除这个数据结构，但是在php清除之前，将耗费不少空间的内存。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。

如果上面的情况发生仅仅一两次倒没什么，但是如果出现几千次，甚至几十万次的内存泄漏，这显然是个大问题。在长时间运行的脚本，比如请求基本上不会结束的守护进程(deamons)或者单元测试中的大的套件(sets)中，在给 eZ 组件库的模板组件做单元测试时，后者(指单元测试中的大的套件)就会出现问题.它将需要耗用2GB的内存，而一般的测试服务器没有这么大的内存空间。

回收周期(Collecting Cycles)

传统上，像以前的 php 用到的引用计数内存机制，无法处理循环的引用内存泄漏。然而 5.3.0 PHP 使用文章» 引用计数系统中的同步周期回收(Concurrent Cycle Collection in Reference Counted Systems)中的同步算法，来处理这个内存泄漏问题。

对算法的完全说明有点超出这部分内容的范围，将只介绍其中基础部分。首先，我们先要建立一些基本规则，如果一个引用计数增加，它将继续被使用，当然就不再在垃圾中。如果引用计数减少到零，所在变量容器将被清除(free)。就是说，仅仅在引用计数减少到非零值时，才会产生垃圾周期(garbage cycle)。其次，在一个垃圾周期中，通过检查引用计数是否减1，并且检查哪些变量容器的引用次数是零，来发现哪部分是垃圾。

为避免不得不检查所有引用计数可能减少的垃圾周期，这个算法把所有可能根(possible roots 都是zval变量容器),放在根缓冲区(root buffer)中(用紫色来标记)，这样可以同时确保每个可能的垃圾根(possible garbage root)在缓冲区中只出现一次。仅仅在根缓冲区满了时，才对缓冲区内部所有不同的变量容器执行垃圾回收操作。看上图的步骤 A。

在步骤 B 中，算法使用深度优先搜索查找所有可能的根，找到后将每个变量容器中的引用计数减“1"，为确保不会对同一个变量容器减两次"1"，用灰色标记已减过“1”的。在步骤 C 中，算法再一次对每个根节点使用深度优先搜索，检查每个变量容器的引用计数。如果引用计数是 0 ，变量容器用白色来标记（图中的蓝色）。如果引用次数大于0，则恢复在这个点上使用深度优先搜索而将引用计数减”1“的操作（即引用计数加“1”），然后将它们重新用黑色标记。在最后一步 D 中，算法遍历根缓冲区以从那里删除变量容器根(zval roots)，同时，检查是否有在上一步中被白色标记的变量容器。每个被白色标记的变量容器都被清除。

现在，你已经对这个算法有了基本了解，我们回头来看这个如何与PHP集成。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，每当根缓存区存满时，就会执行上面描述的循环查找算法。根缓存区有固定的大小，可存10,000个可能根,当然你可以通过修改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10,000值。当垃圾回收机制关闭时，循环查找算法永不执行，然而，可能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。

当垃圾回收机制关闭时，如果根缓冲区存满了可能根，更多的可能根显然不会被记录。那些没被记录的可能根，将不会被这个算法来分析处理。如果他们是循环引用周期的一部分，将永不能被清除进而导致内存泄漏。

即使在垃圾回收机制不可用时，可能根也被记录的原因是，相对于每次找到可能根后检查垃圾回收机制是否打开而言，记录可能根的操作更快。不过垃圾回收和分析机制本身要耗不少时间。

除了修改配置zend.enable_gc ，也能通过分别调用 gc_enable() 和 gc_disable()函数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。

性能方面考虑的因素

在上一节我们已经简单的提到：回收可能根有细微的性能上影响，但这是把PHP 5.2与PHP 5.3比较时才有的。尽管在PHP 5.2中，记录可能根相对于完全不记录可能根要慢些，而PHP 5.3中对 PHP run-time 的其他修改减少了这个性能损失。

这里主要有两个领域对性能有影响。第一个是内存占用空间的节省，另一个是垃圾回收机制执行内存清理时的执行时间增加(run-time delay)。我们将研究这两个领域。

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。在下图中，显示了下面脚本分别在PHP 5.2 和 PHP 5.3环境下的内存占用情况，其中排除了脚本启动时PHP本身占用的基本内存。

Example #1 Memory usage example

<?php
class Foo
{
    public $var = '3.1415962654';
}

$baseMemory = memory_get_usage();

for ( $i = 0; $i <= 100000; $i++ )
{
    $a = new Foo;
    $a->self = $a;
    if ( $i % 500 === 0 )
    {
        echo sprintf( '%8d: ', $i ), memory_get_usage() - $baseMemory, "\n";
    }
}
?>

在这个很理论性的例子中，我们创建了一个对象，这个对象中的一个属性被设置为指回对象本身。在循环的下一个重复(iteration)中，当脚本中的变量被重新复制时，就会发生典型性的内存泄漏。在这个例子中，两个变量容器是泄漏的(对象容器和属性容器)，但是仅仅能找到一个可能根：就是被unset的那个变量。在10,000次重复后(也就产生总共10,000个可能根)，当根缓冲区满时，就执行垃圾回收机制，并且释放那些关联的可能根的内存。这从PHP 5.3的锯齿型内存占用图中很容易就能看到。每次执行完10,000次重复后，执行垃圾回收，并释放相关的重复使用的引用变量。在这个例子中由于泄漏的数据结构非常简单，所以垃圾回收机制本身不必做太多工作。从这个图表中，你能看到 PHP 5.3的最大内存占用大概是9 Mb，而PHP 5.2的内存占用一直增加。

执行时间增加(Run-Time Slowdowns)

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。为了看到这个耗时时多少，我们稍微改变了上面的脚本，有更多次数的重复并且删除了循环中的内存占用计算，第二个脚本代码如下：

Example #2 GC performance influences

<?php
class Foo
{
    public $var = '3.1415962654';
}

for ( $i = 0; $i <= 1000000; $i++ )
{
    $a = new Foo;
    $a->self = $a;
}

echo memory_get_peak_usage(), "\n";
?>

我们将运行这个脚本两次，一次通过配置zend.enable_gc 打开垃圾回收机制时，另一次是它关闭时。

Example #3 Running the above script

time php -dzend.enable_gc=0 -dmemory_limit=-1 -n example2.php# andtime php -dzend.enable_gc=1 -dmemory_limit=-1 -n example2.php

在我的机器上，第一个命令持续执行时间大概为10.7秒，而第二个命令耗费11.4秒。时间上增加了7%。然而，执行这个脚本时内存占用的峰值降低了98%，从931Mb 降到 10Mb。这个基准不是很科学，或者并不能代表真实应用程序的数据，但是它的确显示了垃圾回收机制在内存占用方面的好处。好消息就是，对这个脚本而言，在执行中出现更多的循环引用变量时，内存节省的更多的情况下，每次时间增加的百分比都是7%。

PHP内部 GC 统计信息

在PHP内部，可以显示更多的关于垃圾回收机制如何运行的信息。但是要显示这些信息，你需要先重新编译PHP使benchmark和data-collecting code可用。你需要在按照你的意愿运行./configure前，把环境变量CFLAGS设置成-DGC_BENCH=1。下面的命令串就是做这个事：

Example #4 Recompiling PHP to enable GC benchmarking

export CFLAGS=-DGC_BENCH=1./config.nicemake cleanmake

当你用新编译的PHP二进制文件来重新执行上面的例子代码，在PHP执行结束后，你将看到下面的信息：

Example #5 GC statistics

GC Statistics-------------Runs:               110Collected:          2072204Root buffer length: 0Root buffer peak:   10000      Possible            Remove from  Marked        Root    Buffered     buffer     grey      --------  --------  -----------  ------ZVAL   7175487   1491291    1241690   3611871ZOBJ  28506264   1527980     677581   1025731

主要的信息统计在第一个块。你能看到垃圾回收机制运行了110次，而且在这110次运行中，总共有超过两百万的内存分配被释放。只要垃圾回收机制运行了至少一次，根缓冲区峰值(Root buffer peak)总是10000.

推荐阅读

1. PHPReference
2. 引用计数和垃圾收集之比较
3. 引用计数系统中的同步周期回收(Concurrent Cycle Collection in Reference Counted Systems)