Arthur's Blog

写时复制（Copy-on-Write，也缩写为COW），顾名思义，就是在写入时才真正复制一份内存进行修改。 COW最早应用在*nix系统中对线程与内存使用的优化，后面广泛的被使用在各种编程语言中，如C++的STL等。 在PHP内核中，COW也是主要的内存优化手段。 在前面关于变量和内存的讨论中，引用计数对变量的销毁与回收中起着至关重要的标识作用。 引用计数存在的意义，就是为了使得COW可以正常运作，从而实现对内存的优化使用。

写时复制的作用

经过上面的描述，大家可能会COW有了个主观的印象，下面让我们看一个小例子， 非常容易看到COW在内存使用优化方面的明显作用：

上面的代码比较典型的突出了COW的作用，在一个数组变量$tipi被赋值给$tipi_copy时， 内存的使用并没有立刻增加一半，甚至在循环遍历数 $tipi_copy时， 实际上遍历的，仍是$tipi指向的同一块内存。

也就是说，即使我们不使用引用，一个变量被赋值后，只要我们不改变变量的值 ，也与使用引用一样。 进一步讲，就算变量的值立刻被改变，新值的内存分配也会洽如其分。 据此我们很容易就可以想到一些COW可以非常有效的控制内存使用的场景， 如函数参数的传递，大数组的复制等等。

在这个例子中，如果$tipi_copy的值发生了变化，$tipi的值是不应该发生变化的， 那么，此时PHP内核又会如何去做呢？我们引入下面的示例：

在维基百科中有这样一段描述： 凡是位于速度相差较大的两种硬件之间的，用于协调两者数据传输速度差异的结构，均可称之为Cache。 从最初始的处理器与内存间的Cache开始，都是为了让数据访问的速度适应CPU的处理速度， 其基于的原理是内存中“程序执行与数据访问的局域性行为”。 同样PHP内存管理中的缓存也是基于“程序执行与数据访问的局域性行为”的原理。 引入缓存，就是为了减少小块内存块的查询次数，为最近访问的数据提供更快的访问方式。

PHP将缓存添加到内存管理机制中做了如下一些操作：

• 标识缓存和缓存的大小限制，即何时使用缓存，在某些情况下可以以最少的修改禁用掉缓存
• 缓存的存储结构，即缓存的存放位置、结构和存放的逻辑
• 初始化缓存
• 获取缓存中内容
• 写入缓存
• 释放缓存或者清空缓存列表

首先我们看标识缓存和缓存的大小限制，在PHP内核中，是否使用缓存的标识是宏ZEND_MM_CACHE（Zend/zend_alloc.c 400行）， 缓存的大小限制与size_t结构大小有关，假设size_t占4位，则默认情况下，PHP内核给PHP内存管理的限制是128K(32 * 4 * 1024)。 如下所示代码：

如果在某些应用下需要禁用缓存，则将ZEND_MM_CACHE宏设置为0，重新编译PHP即可。 为了实现这个一处修改所有地方都生效的功能，则在每个需要调用缓存的地方在编译时都会判断ZEND_MM_CACHE是否定义为1。

如果我们启用了缓存，则在堆层结构中增加了两个字段：

如上所示，cached表示已缓存元素使用内存的总大小，zend_mm_free_block结构的数组装载被缓存的块。 在初始化内存管理时

垃圾回收机制是一种动态存储分配方案。它会自动释放程序不再需要的已分配的内存块。 自动回收内存的过程叫垃圾收集。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、Eiffel、C#、Ruby等都使用了垃圾回收机制。 虽然垃圾回收是现在比较流行的做法，但是它的年纪已经不小了。早在20世纪60年代MIT开发的Lisp系统中就已经有了它的身影， 但是由于当时技术条件不成熟，从而使得垃圾回收机制成了一个看起来很美的技术，直到20世纪90年代Java的出现，垃圾回收机制才被广泛应用。

PHP也在语言层实现了内存的动态管理，这在前面的章节中已经有了详细的说明， 内存的动态管理将开发人员从繁琐的内存管理中解救出来。与此配套，PHP也提供了语言层的垃圾回收机制， 让程序员不必过分关心程序内存分配。

在PHP5.3版本之前，PHP只有简单的基于引用计数的垃圾回收，当一个变量的引用计数变为0时， PHP将在内存中销毁这个变量，只是这里的垃圾并不能称之为垃圾。 并且PHP在一个生命周期结束后就会释放此进程/线程所点的内容，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。PHP5.3中的垃圾回收机制使用了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。关于这个算法的介绍我们就不再赘述，在PHP的官方文档有图文并茂的介绍：回收周期(Collecting Cycles)。

如前面所说，在PHP中，主要的内存管理手段是引用计数，引入垃圾收集机制的目的是为了打破引用计数中的循环引用，从而防止因为这个而产生的内存泄露。 垃圾收集机制基于PHP的动态内存管理而存在。PHP5.3为引入垃圾收集机制，在变量存储的基本结构上有一些变动，如下所示：

对于PHP这种需要同时处理多个请求的程序来说，申请和释放内存的时候应该慎之又慎，一不小心便会酿成大错。另一方面，除了要安全的申请和释放内存外，还应该做到内存的最小化使用，因为它可能要处理每秒钟数以千计的请求，为了提高系统整体的性能，每一次操作都应该只使用最少的内存，对于不必要的相同数据的复制则应该能免则免。我们来看下面这段PHP代码：

PHP底层对内存的管理， 围绕着小块内存列表（free_buckets）、 大块内存列表（large_free_buckets）和 剩余内存列表（rest_buckets）三个列表来分层进行的。 ZendMM向系统进行的内存申请，并不是有需要时向系统即时申请， 而是由ZendMM的最底层（heap层）先向系统申请一大块的内存，通过对上面三种列表的填充， 建立一个类似于内存池的管理机制。 在程序

内存管理一般会包括以下内容：

• 是否有足够的内存供我们的程序使用；
• 如何从足够可用的内存中获取部分内存；
• 对于使用后的内存，是否可以将其销毁并将其重新分配给其它程序使用。

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口提供给外部使用。 后面两个操作分别对应emalloc宏，efree宏，而第一个操作可以根据emalloc宏返回结果检测。

在PHP里，我们可以定义字符串变量，比如 <?php $str="nowamagic"; ?>，$str这个字符串变量可以被自由的修改与复制等。这一切在C语言里看起来都是不可能的事情，我们用#char *p = "hello";#来定义一个字符串，但它是常量，是不能被修改的，如果你用p[1]='c';来修改这个字符串会引发段错误(Gcc,c99)，为了修改C语言里的字符串常量，我们往往需要定义

内存是计算机非常关键的部件之一，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用于存储计算数据，而大部分的数据都是存储在内存中的，程序运行都是在内存中进行的。和CPU计算能力一样， 内存也是决定计算效率的一个关键部分。

计算中的资源中主要包含：CPU计算能力，内存资源以及I/O。现代计算机为了充分利用资源， 而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力。 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，而是关注在应用层面： 如何高效的利用有限的内存资源。

目前除了使用C/C++等这类的低层编程语言以外，很多编程语言都将内存管理移到了语言之后， 例如Java, 各种脚本语言：PHP/Python/Ruby等等，程序手动维护内存的成本非常大， 而这些脚本语言或新型语言都专注于特定领域，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。 虽然程序员不需要手动维护内存，而在程序运行过程中内存的使用还是要进行管理的， 内存管理的工作也就编程语言实现程序员的工作了。

内存管理的主要工作是尽可能高效的利用内存。

内存的使用操作包括申请内存，销毁内存，修改内存的大小等。 如果申请了内存在使用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， 久而久之，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言来说， 内存管理是其至关重要的一个模块，它在很大程序上决定了程序的执行效率，

在PHP层面来看，定义的变量、类、函数等等实体在运行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用域后会进行销毁，在计算过程中会产生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比较关键了。 PHP从开始就有一套属于自己的内存管理机制，在5.3之前使用的是经典的引用计数技术， 但引用技术存在一定的技术缺陷，在PHP5.3之后，引入了新的垃圾回收机制，至此，PHP的内存管理机制更加完善。

从某个意义上讲，资源总是有限的，计算机资源也是如此，衡量一个计算机处理能里的指标有很多， 同时也根据不同的应用需要会有不同的指标，比如3D游戏对显卡就有些要求，而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用

PHP是弱类型的动态语言，在前面的章节中我们已经介绍了PHP的变量都存放在一个名为ZVAL的容器中， ZVAL包含了变量的类型和各种类型变量的值。 PHP中的变量不需要显式的数据类型定义，可以给变量赋值任意类型的数据， PHP变量之间的数据类型转换有两种：隐式和显式转换。

隐式类型转换

隐式类型转换也被称为自动类型转换，是指不需要程序员书写代码，由编程语言自动完成的类型转换。 在PHP中，我们经常遇到的隐式转换有：

1．直接的变量赋值操作

在PHP中，直接对变量的赋值操作是隐式类型转换最简单的方式，也是我们最常见的一种方式，或许我们已经习以为常，从而没有感觉到变量的变化。 在直接赋值的操作中，变量的数据类型由赋予的值决定，即左值的数据类型由右值的数据类型决定。 比如，当把一个字符串类型的数据赋值给变量时，不管该变量以前是什么类型的变量，此时该变量就是一个字符串类型的变量。 看一段代码：

上面的代码，当执行完第三行代码，$string变量的类型就是一个整形了。 通过VLD扩展可以查到第三次赋值操作的中间代码及操作数的类型，再找到赋值的最后实现为zend_assign_to_variable函数。 这在前面的小节中已经详细介绍过了。我们这个例子是很简单的一种赋值，在源码中是直接将$string的ZVAL容器的指针指向$integer变量指向的指针， 并将$integer的引用计数加1。这个操作在本质上改变了$string变量的内容，而原有的变量内容则被垃圾收集机制回收。关于赋值的具体细节，请返回上一节查看。

2．运算式结果对变量的赋值操作

我们常说的隐式类型转换是将一个表达式的结果赋值给一个变量，在运算的过程中发生了隐式的类型转换。 这种类型转换不仅仅在PHP语言，在其它众多的语言中也有见到，这是我们常规意义上的隐式类型转换。 这种类型转换又分为两种情况：

• 表达式的操作数为同一数据类型 这种情况的作用以上面的直接变量的类型转换是同一种情况，只是此时右值变成了表达式的运算结果。
• 表达式的操作数不为同的数据类型 这种情况

global语句的作用是定义全局变量，例如如果想在函数内访问全局作用域内的变量则可以通过global声明来定义。 下面从语法解释开始分析。

1. 词法解析

查看 Zend/zend_language_scanner.l文件，搜索 global关键字。我们可以找到如下代码：

2. 语法解析

在词法解析完后，获得了token，此时通过这个token，我们去Zend/zend_language_parser.y文件中查找。找到相关代码如下：

上面代码中的$3是指global_var（如果不清楚yacc的语法，可以查阅yacc入门类的文章。）

从上面的代码可以知道，对于全局变量的声明调用的是zend_do_fetch_global_variable函数，查找此函数的实现在Zend/zend_compile.c文件。