深入理解PHP内核

Thinking In PHP Internal

第三节 内存使用:申请和销毁

内存的申请

通过前一小节我们可以知道,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。 在程序运行需要使用内存的时候,ZendMM会在内存池中分配相应的内存供使用。 这样做的好处是避免了PHP向系统频繁的内存申请操作,如下面的代码:

<?php
$tipi = "o_o\n";
echo $tipi;
?>

这是一个简单的php程序,但通过对emalloc的调用计数,发现对内存的请求有数百次之多, 当然这非常容易解释,因为PHP脚本的执行,需要大量的环境变量以及内部变量的定义, 这些定义本身都是需要在内存中进行存储的。

在编写PHP的扩展时,推荐使用emalloc来代替malloc,其实也就是使用PHP的ZendMM来代替 手动直接调用系统级的内存管理。(除非,你自己知道自已在做什么。)

那么在上面这个小程序的执行过程中,ZendMM是如何使用自身的heap层存储空间的呢? 经过对源码的追踪我们可以找到:

   ZEND_ASSIGN_SPEC_CV_CONST_HANDLER (......)
-> ALLOC_ZVAL(......)
-> ZEND_FAST_ALLOC(......) 
-> emalloc (......)
-> _emalloc(......)
-> _zend_mm_alloc_int(.....)

void *_emalloc 实现了对内存的申请操作,在_emalloc的处理过程中, 对是否使用ZendMM进行了判断,如果heap层没有使用ZendMM来管理, 就直接使用_zend_mm_heap结构中定义的_malloc函数进行内存的分配; (我们通过上节可以知道,这里的_malloc可以是malloc,win32,mmap_anon,mmap_zero中的一种);

就目前所知,不使用ZendMM进行内存管理,唯一的用途是打开enable-debug开关后, 可以更方便的追踪内存的使用情况。所以,在这里我们关注ZendMM使用_zend_mm_alloc_int函数进行内存分配:

图6.1 PHP内存管理器
图6.1 PHP内存管理器

结合上图,再加上内存分配之前的验证,ZendMM对内存分配的处理主要有以下步骤:

  1. 内存检查。 对要申请的内存大小进行检查,如果太大(超出memory_limit则报 Out of Memory);
  2. 如果命中缓存,使用fastcache得到内存块(详见第五节),然后直接进行第5步;
  3. 在ZendMM管理的heap层存储中搜索合适大小的内存块, 在这一步骤ZendMM通过与ZEND_MM_MAX_SMALL_SIZE进行大小比较, 把内存请求分为两种类型: large和small。small类型的的请求会先使用zend_mm_low_bit函数 在mm_heap中的free_buckets中查找,未找到则使用与large类型相同的方式: 使用zend_mm_search_large_block函数在“大块”内存(_zend_mm_heap->large_free_buckets)中进行查找。 如果还没有可以满足大小需求的内存,最后在rest_buckets中进行查找。 也就是说,内存的分配是在三种列表中小到大进行的。 找到可以使用的block后,进行第5步;
  4. 如果经过第3步的查找还没有找到可以使用的资源(请求的内存过大),需要使用ZEND_MM_STORAGE_ALLOC函数向系统再申请一块内存(大小至少为ZEND_MM_SEG_SIZE),然后直接将对齐后的地址分配给本次请求。跳到第6步;
  5. 使用zend_mm_remove_from_free_list函数将已经使用block节点在zend_mm_free_block中移除;
  6. 内存分配完毕,对zend_mm_heap结构中的各种标识型变量进行维护,包括large_free_buckets, peak,size等;
  7. 返回分配的内存地址;

从上面的分配可以看出,PHP对内存的分配,是结合PHP的用途来设计的,PHP一般用于web应用程序的数据支持, 单个脚本的运行周期一般比较短(最多达到秒级),内存大块整块的申请,自主进行小块的分配, 没有进行比较复杂的不相临地址的空闲内存合并,而是集中再次向系统请求。 这样做的好处就是运行速度会更快,缺点是随着程序的运行时间的变长, 内存的使用情况会“越来越多”(PHP5.2及更早版本)。 所以PHP5.3之前的版本并不适合做为守护进程长期运行。 (当然,可以有其他方法解决,而且在PHP5.3中引入了新的GC机制,详见下一小节)

内存的销毁

ZendMM在内存销毁的处理上采用与内存申请相同的策略,当程序unset一个变量或者是其他的释放行为时, ZendMM并不会直接立刻将内存交回给系统,而是只在自身维护的内存池中将其重新标识为可用, 按照内存的大小整理到上面所说的三种列表(small,large,free)之中,以备下次内存申请时使用。

关于变量销毁的处理,还涉及较多的其他操作,请参看变量的创建和销毁

内存销毁的最终实现函数是_efree。在_efree中,内存的销毁首先要进行是否放回cache的判断。 如果内存的大小满足ZEND_MM_SMALL_SIZE并且cache还没有超过系统设置的ZEND_MM_CACHE_SIZE, 那么,当前内存块zend_mm_block就会被放回mm_heap->cache中。 如果内存块没有被放回cache,则使用下面的代码进行处理:

zend_mm_block *mm_block; //要销毁的内存块
zend_mm_block *next_block;
...
next_block = ZEND_MM_BLOCK_AT(mm_block, size);
if (ZEND_MM_IS_FREE_BLOCK(next_block)) {
    zend_mm_remove_from_free_list(heap, (zend_mm_free_block *) next_block);
    size += ZEND_MM_FREE_BLOCK_SIZE(next_block);
}    
if (ZEND_MM_PREV_BLOCK_IS_FREE(mm_block)) {
    mm_block = ZEND_MM_PREV_BLOCK(mm_block);
    zend_mm_remove_from_free_list(heap, (zend_mm_free_block *) mm_block);
    size += ZEND_MM_FREE_BLOCK_SIZE(mm_block);
}    
if (ZEND_MM_IS_FIRST_BLOCK(mm_block) &&
    ZEND_MM_IS_GUARD_BLOCK(ZEND_MM_BLOCK_AT(mm_block, size))) {
    zend_mm_del_segment(heap, (zend_mm_segment *) ((char *)mm_block - ZEND_MM_ALIGNED_SEGMENT_SIZE));
} else {
    ZEND_MM_BLOCK(mm_block, ZEND_MM_FREE_BLOCK, size);
    zend_mm_add_to_free_list(heap, (zend_mm_free_block *) mm_block);
}

这段代码逻辑比较清晰,主要是根据当前要销毁的内存块mm_blockzend_mm_heap 双向链表中所处的位置进行不同的操作。如果下一个节点还是free的内存,则将下一个节点合并; 如果上一相邻节点内存块为free,则合并到上一个节点; 如果只是普通节点,刚使用 zend_mm_add_to_free_list或者zend_mm_del_segment 进行回收。

就这样,ZendMM将内存块以整理收回到zend_mm_heap的方式,回收到内存池中。 程序使用的所有内存,将在进程结束时统一交还给系统。

在内存的销毁过程中,还涉及到引用计数和垃圾回收(GC),将在下一小节进行讨论。