PHP7 垃圾回收機(jī)制是什么？

垃圾回收機(jī)制

垃圾回收機(jī)制是一種動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配方案。它會(huì)自動(dòng)釋放程序不再需要的已分配的內(nèi)存塊。 自動(dòng)回收內(nèi)存的過程叫垃圾收集。垃圾回收機(jī)制可以讓程序員不必過分關(guān)心程序內(nèi)存分配，從而將更多的精力投入到業(yè)務(wù)邏輯。 在現(xiàn)在的流行各種語言當(dāng)中，垃圾回收機(jī)制是新一代語言所共有的特征。

垃圾的產(chǎn)生

PHP7 中復(fù)雜類型，像字符串、數(shù)組、對象等的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，頭部都有一個(gè) gc, 這個(gè) gc 的作用就是用來對垃圾回收的支持。當(dāng)變量賦值、傳遞時(shí)，會(huì)增加 value 的引用數(shù)， unset、return 等釋放變量時(shí)再減掉引用數(shù)，減掉后如果發(fā)現(xiàn) refcount 變?yōu)?0 則直接釋放 value，這是變量的基本回收過程。

不過有一種問題是這個(gè)機(jī)制無法解決的，就是循環(huán)引用的問題。

什么是循環(huán)引用呢？ 簡單說就是變量的內(nèi)部里存的 value 又引用了變量自身。 這種比較經(jīng)常發(fā)生在數(shù)組和對象類型的變量上。

這里先講一下引用，即 zend_reference 這個(gè)類型，這個(gè)是 PHP7 新增的變量類型，當(dāng)對變量使用 “&” 操作時(shí)，會(huì)創(chuàng)建新的中間結(jié)構(gòu)體 zend_reference，這個(gè)結(jié)構(gòu)體會(huì)真正的指向?qū)?yīng)的 value 結(jié)構(gòu)。

舉個(gè)例子：

// 當(dāng)進(jìn)行如下賦值操作時(shí)
$a = 'hello'; // $a -> zend_string
$b = $a; // $b,$a -> zend_string
$c = &$b; // $c,$b -> zval(type = IS_REFERENCE, refcount = 2) -> zend_string

最終會(huì)變成如下這樣：

即 $b 和 $c 的 zval 是通過中間結(jié)構(gòu)體 zend_reference 再指向最終的 zend_string。

回到循環(huán)引用的問題，舉個(gè)數(shù)組循環(huán)引用例子：

$a = [1];
$a[] = &$a;
unset($a);

使用 & 操作之后，變量 a 就變成了引用類型且引用計(jì)數(shù) refcount 為 2，而又賦值給自己里面的元素，即變量 a 變成了自己引用自己。

具體如下如所示：

當(dāng) unset 之后就變成下圖這樣：

即 $a 所在的 zval 類型已經(jīng)變成了 IS_UNDEF 了，zend_reference 結(jié)構(gòu)體的引用計(jì)數(shù)減 1，但是仍然大于 0，這時(shí)候，這部分結(jié)構(gòu)體就變成了垃圾，對此不處理的話，就可能會(huì)造成內(nèi)存泄露。這里就需要垃圾收集器將這部分收集到緩沖區(qū)，之后進(jìn)行回收處理。

回收過程

如果當(dāng)變量的 refcount 減小后大于 0，PHP 并不會(huì)立即對這個(gè)變量進(jìn)行垃圾鑒定和回收，而是放入一個(gè)緩沖區(qū)中，等這個(gè)緩沖區(qū)滿了以后 (10000 個(gè)值) 再統(tǒng)一進(jìn)行處理，加入緩沖區(qū)的是變量 zend_value 里的 gc，目前垃圾只會(huì)出現(xiàn)在數(shù)組和對象兩種類型中，數(shù)組的情況上面已經(jīng)介紹了，對象的情況則是成員屬性引用對象本身導(dǎo)致的，其它類型不會(huì)出現(xiàn)這種變量中的成員引用變量自身的情況，所以垃圾回收只會(huì)處理這兩種類型的變量。

gc 的結(jié)構(gòu) zend_refcounted_h 具體如下:

typedef struct _zend_refcounted_h {
    uint32_t         refcount; // 記錄 zend_value 的引用數(shù)
    union {
        struct {
            zend_uchar    type,  // zend_value的類型, 與zval.u1.type一致
            zend_uchar    flags, 
            uint16_t      gc_info // GC信息，記錄在 gc 池中的位置和顏色，垃圾回收的過程會(huì)用到
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u;
} zend_refcounted_h;

一個(gè)變量只能加入一次緩沖區(qū)，為了防止重復(fù)加入，變量加入后會(huì)把 zend_refcounted_h.gc_info 置為 GC_PURPLE，即標(biāo)為紫色，后續(xù)不會(huì)重復(fù)插入。

垃圾緩沖區(qū)是一個(gè)雙向鏈表，等到緩存區(qū)滿了以后則啟動(dòng)垃圾檢查過程：遍歷緩沖區(qū)，對當(dāng)前變量的所有成員進(jìn)行遍歷，然后把成員的 refcount 減 1 (如果成員還包含子成員則也進(jìn)行遞歸遍歷，即深度優(yōu)先遍歷)，最后再檢查當(dāng)前變量的引用，如果減為了 0 則為垃圾。這個(gè)算法的原理核心是：垃圾是由于成員引用自身導(dǎo)致的，那么就對所有的成員減一遍引用，如果發(fā)現(xiàn)最后變量本身的 refcount 變?yōu)榱?0 則就表明其引用全部來自自身成員，即其他任何地方都不再使用它，那么它就是垃圾，需要被回收掉。反之說明不是垃圾，需要將其從緩沖區(qū)移出去。具體的過程如下：

(1) 從緩沖區(qū)鏈表的 roots 開始遍歷，把當(dāng)前 value 標(biāo)為灰色 (zend_refcounted_h.gc_info 置為 GC_GREY)，然后對當(dāng)前 value 的成員進(jìn)行深度優(yōu)先遍歷，把成員 value 的 refcount 減 1，并且也標(biāo)為灰色；

(2) 重復(fù)遍歷緩沖區(qū)鏈表，檢查當(dāng)前 value 引用是否為 0，為 0 則表示確實(shí)是垃圾，把它標(biāo)為白色 (GC_WHITE)，如果不為 0 則排除了引用全部來自自身成員的可能，表示還有外部的引用，并不是垃圾，這時(shí)候因?yàn)椴襟E (1) 對成員進(jìn)行了 refcount 減 1 操作，需要再還原回去，對所有成員進(jìn)行深度遍歷，把成員 refcount 加 1，同時(shí)標(biāo)為黑色；

(3) 再次遍歷緩沖區(qū)鏈表，將非 GC_WHITE 的節(jié)點(diǎn)從 roots 鏈表中移出，最終 roots 鏈表中全部為真正的垃圾，最后將這些垃圾清除。