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This document uses PHP Chinese website manual Release
變量的內(nèi)部實現(xiàn)
變量是一個語言實現(xiàn)的基礎(chǔ)，變量有兩個組成部分：變量名、變量值，PHP中可以將其對應(yīng)為：zval、zend_value，這兩個概念一定要區(qū)分開，PHP中變量的內(nèi)存是通過引用計數(shù)進行管理的，而且PHP7中引用計數(shù)是在zend_value而不是zval上，變量之間的傳遞、賦值通常也是針對zend_value。
PHP中可以通過$關(guān)鍵詞定義一個變量：$a;，在定義的同時可以進行初始化：$a = "hi~";，注意這實際是兩步：定義、初始化，只定義一個變量也是可以的，可以不給它賦值，比如：
$a;
$b = 1;
這段代碼在執(zhí)行時會分配兩個zval。
接下來我們具體看下變量的結(jié)構(gòu)以及不同類型的實現(xiàn)。
變量的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)
//zend_types.htypedef struct _zval_struct zval;typedef union _zend_value {
zend_long lval; //int整形
double dval; //浮點型
zend_refcounted *counted;
zend_string *str; //string字符串
zend_array *arr; //array數(shù)組
zend_object *obj; //object對象
zend_resource *res; //resource資源類型
zend_reference *ref; //引用類型，通過&$var_name定義的
zend_ast_ref *ast; //下面幾個都是內(nèi)核使用的value
zval *zv; void *ptr;
zend_class_entry *ce;
zend_function *func; struct {
uint32_t w1; uint32_t w2;
} ww;
} zend_value;struct _zval_struct {
zend_value value; //變量實際的value
union { struct {
ZEND_ENDIAN_LOHI_4( //這個是為了兼容大小字節(jié)序，小字節(jié)序就是下面的順序，大字節(jié)序則下面4個順序翻轉(zhuǎn)
zend_uchar type, //變量類型
zend_uchar type_flags, //類型掩碼，不同的類型會有不同的幾種屬性，內(nèi)存管理會用到
zend_uchar const_flags,
zend_uchar reserved) //call info，zend執(zhí)行流程會用到
} v; uint32_t type_info; //上面4個值的組合值，可以直接根據(jù)type_info取到4個對應(yīng)位置的值
} u1; union { uint32_t var_flags; uint32_t next; //哈希表中解決哈希沖突時用到
uint32_t cache_slot; /* literal cache slot */
uint32_t lineno; /* line number (for ast nodes) */
uint32_t num_args; /* arguments number for EX(This) */
uint32_t fe_pos; /* foreach position */
uint32_t fe_iter_idx; /* foreach iterator index */
} u2; //一些輔助值};zval結(jié)構(gòu)比較簡單，內(nèi)嵌一個union類型的zend_value保存具體變量類型的值或指針，zval中還有兩個union：u1、u2:
u1： 它的意義比較直觀，變量的類型就通過u1.v.type區(qū)分，另外一個值type_flags為類型掩碼，在變量的內(nèi)存管理、gc機制中會用到，第三部分會詳細分析，至于后面兩個const_flags、reserved暫且不管
u2： 這個值純粹是個輔助值，假如zval只有:value、u1兩個值，整個zval的大小也會對齊到16byte，既然不管有沒有u2大小都是16byte，把多余的4byte拿出來用于一些特殊用途還是很劃算的，比如next在哈希表解決哈希沖突時會用到，還有fe_pos在foreach會用到......
從zend_value可以看出，除long、double類型直接存儲值外，其它類型都為指針，指向各自的結(jié)構(gòu)。
類型
zval.u1.type類型：
/* regular data types */ #define IS_UNDEF 0 #define IS_NULL 1 #define IS_FALSE 2 #define IS_TRUE 3 #define IS_LONG 4 #define IS_DOUBLE 5 #define IS_STRING 6 #define IS_ARRAY 7 #define IS_OBJECT 8 #define IS_RESOURCE 9 #define IS_REFERENCE 10 /* constant expressions */ #define IS_CONSTANT 11 #define IS_CONSTANT_AST 12 /* fake types */ #define _IS_BOOL 13 #define IS_CALLABLE 14 /* internal types */ #define IS_INDIRECT 15 #define IS_PTR 17
標量類型
最簡單的類型是true、false、long、double、null，其中true、false、null沒有value，直接根據(jù)type區(qū)分，而long、double的值則直接存在value中：zend_long、double，也就是標量類型不需要額外的value指針。
字符串
PHP中字符串通過zend_string表示:
struct _zend_string {
zend_refcounted_h gc;
zend_ulong h; /* hash value */
size_t len; char val[1];
};gc： 變量引用信息，比如當前value的引用數(shù)，所有用到引用計數(shù)的變量類型都會有這個結(jié)構(gòu)，3.1節(jié)會詳細分析
h： 哈希值，數(shù)組中計算索引時會用到
len： 字符串長度，通過這個值保證二進制安全
val： 字符串內(nèi)容，變長struct，分配時按len長度申請內(nèi)存
事實上字符串又可具體分為幾類：IS_STR_PERSISTENT(通過malloc分配的)、IS_STR_INTERNED(php代碼里寫的一些字面量，比如函數(shù)名、變量值)、IS_STR_PERMANENT(永久值，生命周期大于request)、IS_STR_CONSTANT(常量)、IS_STR_CONSTANT_UNQUALIFIED，這個信息通過flag保存：zval.value->gc.u.flags，后面用到的時候再具體分析。
數(shù)組
array是PHP中非常強大的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它的底層實現(xiàn)就是普通的有序HashTable，這里簡單看下它的結(jié)構(gòu)，下一節(jié)會單獨分析數(shù)組的實現(xiàn)。
typedef struct _zend_array HashTable;struct _zend_array {
zend_refcounted_h gc; //引用計數(shù)信息，與字符串相同
union { struct {
ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
zend_uchar flags,
zend_uchar nApplyCount,
zend_uchar nIteratorsCount,
zend_uchar reserve)
} v; uint32_t flags;
} u; uint32_t nTableMask; //計算bucket索引時的掩碼
Bucket *arData; //bucket數(shù)組
uint32_t nNumUsed; //已用bucket數(shù)
uint32_t nNumOfElements; //已有元素數(shù)，nNumOfElements <= nNumUsed，因為刪除的并不是直接從arData中移除
uint32_t nTableSize; //數(shù)組的大小，為2^n
uint32_t nInternalPointer; //數(shù)值索引
zend_long nNextFreeElement; dtor_func_t pDestructor;
};對象/資源
struct _zend_object {
zend_refcounted_h gc; uint32_t handle;
zend_class_entry *ce; //對象對應(yīng)的class類
const zend_object_handlers *handlers;
HashTable *properties; //對象屬性哈希表
zval properties_table[1];
};struct _zend_resource {
zend_refcounted_h gc; int handle; int type; void *ptr;
};對象比較常見，資源指的是tcp連接、文件句柄等等類型，這種類型比較靈活，可以隨意定義struct，通過ptr指向，后面會單獨分析這種類型，這里不再多說。
引用
引用是PHP中比較特殊的一種類型，它實際是指向另外一個PHP變量，對它的修改會直接改動實際指向的zval，可以簡單的理解為C中的指針，在PHP中通過&操作符產(chǎn)生一個引用變量，也就是說不管以前的類型是什么，&首先會創(chuàng)建一個zend_reference結(jié)構(gòu)，其內(nèi)嵌了一個zval，這個zval的value指向原來zval的value(如果是布爾、整形、浮點則直接復(fù)制原來的值)，然后將原zval的類型修改為IS_REFERENCE，原zval的value指向新創(chuàng)建的zend_reference結(jié)構(gòu)。
struct _zend_reference {
zend_refcounted_h gc;
zval val;
};結(jié)構(gòu)非常簡單，除了公共部分zend_refcounted_h外只有一個val，舉個示例看下具體的結(jié)構(gòu)關(guān)系：
$a = "time:" . time(); //$a -> zend_string_1(refcount=1)$b = &$a; //$a,$b -> zend_reference_1(refcount=2) -> zend_string_1(refcount=1)
最終的結(jié)果如圖：
注意：引用只能通過&產(chǎn)生，無法通過賦值傳遞，比如：
$a = "time:" . time(); //$a -> zend_string_1(refcount=1) $b = &$a; //$a,$b -> zend_reference_1(refcount=2) -> zend_string_1(refcount=1) $c = $b; //$a,$b -> zend_reference_1(refcount=2) -> zend_string_1(refcount=2) //$c ->
$b = &$a這時候$a、$b的類型是引用，但是$c = $b并不會直接將$b賦值給$c，而是把$b實際指向的zval賦值給$c，如果想要$c也是一個引用則需要這么操作：
$a = "time:" . time(); //$a -> zend_string_1(refcount=1) $b = &$a; //$a,$b -> zend_reference_1(refcount=2) -> zend_string_1(refcount=1) $c = &$b;/*或$c = &$a*/ //$a,$b,$c -> zend_reference_1(refcount=3) -> zend_string_1(refcount=1)
這個也表示PHP中的 引用只可能有一層 ，不會出現(xiàn)一個引用指向另外一個引用的情況 ，也就是沒有C語言中指針的指針的概念。
內(nèi)存管理
接下來分析下變量的分配、銷毀。
在分析變量內(nèi)存管理之前我們先自己想一下可能的實現(xiàn)方案，最簡單的處理方式：定義變量時alloc一個zval及對應(yīng)的value結(jié)構(gòu)(ref/arr/str/res...)，賦值、函數(shù)傳參時硬拷貝一個副本，這樣各變量最終的值完全都是獨立的，不會出現(xiàn)多個變量同時共用一個value的情況，在執(zhí)行完以后直接將各變量及value結(jié)構(gòu)free掉。
這種方式是可行的，而且內(nèi)存管理也很簡單，但是，硬拷貝帶來的一個問題是效率低，比如我們定義了一個變量然后賦值給另外一個變量，可能后面都只是只讀操作，假如硬拷貝的話就會有多余的一份數(shù)據(jù)，這個問題的解決方案是： 引用計數(shù)+寫時復(fù)制 。PHP變量的管理正是基于這兩點實現(xiàn)的。
引用計數(shù)
引用計數(shù)是指在value中增加一個字段refcount記錄指向當前value的數(shù)量，變量復(fù)制、函數(shù)傳參時并不直接硬拷貝一份value數(shù)據(jù)，而是將refcount++，變量銷毀時將refcount--，等到refcount減為0時表示已經(jīng)沒有變量引用這個value，將它銷毀即可。
$a = "time:" . time(); //$a -> zend_string_1(refcount=1)$b = $a; //$a,$b -> zend_string_1(refcount=2)$c = $b; //$a,$b,$c -> zend_string_1(refcount=3)unset($b); //$b = IS_UNDEF $a,$c -> zend_string_1(refcount=2)
引用計數(shù)的信息位于給具體value結(jié)構(gòu)的gc中：
typedef struct _zend_refcounted_h {
uint32_t refcount; /* reference counter 32-bit */
union { struct {
ZEND_ENDIAN_LOHI_3(
zend_uchar type,
zend_uchar flags, /* used for strings & objects */
uint16_t gc_info) /* keeps GC root number (or 0) and color */
} v; uint32_t type_info;
} u;
} zend_refcounted_h;從上面的zend_value結(jié)構(gòu)可以看出并不是所有的數(shù)據(jù)類型都會用到引用計數(shù)，long、double直接都是硬拷貝，只有value是指針的那幾種類型才__可能__會用到引用計數(shù)。
下面再看一個例子：
$a = "hi~"; $b = $a;
猜測一下變量$a/$b的引用情況。
這個不跟上面的例子一樣嗎？字符串"hi~"有$a/$b兩個引用，所以zend_string1(refcount=2)。但是這是錯的，gdb調(diào)試發(fā)現(xiàn)上面例子zend_string的引用計數(shù)為0。這是為什么呢？
$a,$b -> zend_string_1(refcount=0,val="hi~")
事實上并不是所有的PHP變量都會用到引用計數(shù)，標量：true/false/double/long/null是硬拷貝自然不需要這種機制，但是除了這幾個還有兩個特殊的類型也不會用到：interned string(內(nèi)部字符串，就是上面提到的字符串flag：IS_STR_INTERNED)、immutable array，它們的type是IS_STRING、IS_ARRAY，與普通string、array類型相同，那怎么區(qū)分一個value是否支持引用計數(shù)呢？還記得zval.u1中那個類型掩碼type_flag嗎？正是通過這個字段標識的，這個字段除了標識value是否支持引用計數(shù)外還有其它幾個標識位，按位分割，注意：type_flag與zval.value->gc.u.flag不是一個值。
支持引用計數(shù)的value類型其zval.u1.type_flag包含 (注意是&，不是等于)IS_TYPE_REFCOUNTED：
#define IS_TYPE_REFCOUNTED (1<<2)
下面具體列下哪些類型會有這個標識：
| type | refcounted | +----------------+------------+ |simple types | | |string | Y | |interned string | | |array | Y | |immutable array | | |object | Y | |resource | Y | |reference | Y |
simple types很顯然用不到，不再解釋，string、array、object、resource、reference有引用計數(shù)機制也很容易理解，下面具體解釋下另外兩個特殊的類型：
interned string： 內(nèi)部字符串，這是種什么類型？我們在PHP中寫的所有字符都可以認為是這種類型，比如function name、class name、variable name、靜態(tài)字符串等等，我們這樣定義:$a = "hi~";后面的字符串內(nèi)容是唯一不變的，這些字符串等同于C語言中定義在靜態(tài)變量區(qū)的字符串：char *a = "hi~";，這些字符串的生命周期為request期間，request完成后會統(tǒng)一銷毀釋放，自然也就無需在運行期間通過引用計數(shù)管理內(nèi)存。
immutable array： 只有在用opcache的時候才會用到這種類型，不清楚具體實現(xiàn)，暫時忽略。
寫時復(fù)制
上一小節(jié)介紹了引用計數(shù)，多個變量可能指向同一個value，然后通過refcount統(tǒng)計引用數(shù)，這時候如果其中一個變量試圖更改value的內(nèi)容則會重新拷貝一份value修改，同時斷開舊的指向，寫時復(fù)制的機制在計算機系統(tǒng)中有非常廣的應(yīng)用，它只有在必要的時候(寫)才會發(fā)生硬拷貝，可以很好的提高效率，下面從示例看下：
$a = array(1,2); $b = &$a; $c = $a;//發(fā)生分離$b[] = 3;
最終的結(jié)果：
不是所有類型都可以copy的，比如對象、資源，實時上只有string、array兩種支持，與引用計數(shù)相同，也是通過zval.u1.type_flag標識value是否可復(fù)制的：
#define IS_TYPE_COPYABLE (1<<4)
| type | copyable | +----------------+------------+ |simple types | | |string | Y | |interned string | | |array | Y | |immutable array | | |object | | |resource | | |reference | |
copyable 的意思是當value發(fā)生duplication時是否需要或者能夠copy，這個具體有兩種情形下會發(fā)生：
a.從 literal變量區(qū) 復(fù)制到 局部變量區(qū) ，比如：$a = [];實際會有兩個數(shù)組，而$a = "hi~";//interned string則只有一個string
b.局部變量區(qū)分離時(寫時復(fù)制)：如改變變量內(nèi)容時引用計數(shù)大于1則需要分離，$a = [];$b = $a; $b[] = 1;這里會分離，類型是array所以可以復(fù)制，如果是對象：
$a = new user;$b = $a;$a->name = "dd";
這種情況是不會復(fù)制object的，$a、$b指向的對象還是同一個
變量回收
PHP變量的回收主要有兩種：主動銷毀、自動銷毀。主動銷毀指的就是 unset ，而自動銷毀就是PHP的自動管理機制，在return時減掉局部變量的refcount，即使沒有顯式的return，PHP也會自動給加上這個操作，另外一個就是寫時復(fù)制時會斷開原來value的指向，這時候也會檢查斷開后舊value的refcount。
垃圾回收
PHP變量的回收是根據(jù)refcount實現(xiàn)的，當unset、return時會將變量的引用計數(shù)減掉，如果refcount減到0則直接釋放value，這是變量的簡單gc過程，但是實際過程中出現(xiàn)gc無法回收導(dǎo)致內(nèi)存泄漏的bug，先看下一個例子：
$a = [1]; $a[] = &$a;unset($a);
unset($a)之前引用關(guān)系：
unset($a)之后：
可以看到，unset($a)之后由于數(shù)組中有子元素指向$a，所以refcount > 0，無法通過簡單的gc機制回收，這種變量就是垃圾，垃圾回收器要處理的就是這種情況，目前垃圾只會出現(xiàn)在array、object兩種類型中，所以只會針對這兩種情況作特殊處理：當銷毀一個變量時，如果發(fā)現(xiàn)減掉refcount后仍然大于0，且類型是IS_ARRAY、IS_OBJECT則將此value放入gc可能垃圾雙向鏈表中，等這個鏈表達到一定數(shù)量后啟動檢查程序?qū)⑺凶兞繖z查一遍，如果確定是垃圾則銷毀釋放。
標識變量是否需要回收也是通過u1.type_flag區(qū)分的：
#define IS_TYPE_COLLECTABLE
| type | collectable | +----------------+-------------+ |simple types | | |string | | |interned string | | |array | Y | |immutable array | | |object | Y | |resource | | |reference | |
具體的垃圾回收過程這里不再介紹，后面會單獨分析。