Zend Memory Manager (ZMM)：Chunk、Page与Slot的三级内存分配器实现细节
各位朋友，大家好！今天我们来深入探讨PHP内核中至关重要的一个组件——Zend Memory Manager（ZMM）。ZMM负责PHP脚本执行期间的内存分配和管理，其效率直接影响着PHP的性能。ZMM采用了一种巧妙的三级内存分配机制，即Chunk、Page和Slot。理解这三个概念以及它们之间的关系，对于优化PHP应用、排查内存泄漏问题至关重要。
一、ZMM的设计背景与目标
在深入了解ZMM的实现细节之前，我们首先要明确ZMM的设计目标。传统的malloc和free虽然通用，但在高并发、频繁内存分配和释放的场景下，效率较低，容易产生内存碎片。PHP作为一种解释型语言，需要一个高效、可控的内存管理机制来满足其需求。
ZMM的设计目标主要包括：
- 高效性： 减少内存分配和释放的开销，提高PHP脚本的执行速度。
- 可控性： 提供对内存管理的细粒度控制，方便诊断和解决内存问题。
- 减少碎片： 尽可能地减少内存碎片的产生，提高内存利用率。
- 安全性： 避免内存泄漏和悬挂指针等问题。
为了实现这些目标，ZMM采用了分级内存管理策略，将内存分配过程分解为更小的单元，并通过预分配和缓存等技术来提高效率。
二、Chunk：ZMM的内存池
Chunk是ZMM中最顶层的概念，可以把它理解为ZMM的内存池。当ZMM需要内存时，它首先会尝试从Chunk中获取。如果Chunk中没有足够的可用内存，ZMM会向操作系统申请新的Chunk。
一个Chunk通常包含多个Page。Chunk的大小在编译时确定，可以通过配置选项进行调整。Chunk的主要作用是减少向操作系统频繁申请内存的开销。
在Zend引擎的源码中，Chunk通常表现为一个大的内存区域，通过链表或者其他数据结构进行管理。当一个Chunk被创建，它会被划分成若干个Page，以便进一步分配。
// 示例：Chunk的简单结构 (简化版)
typedef struct _zend_mm_chunk {
size_t size; // Chunk的大小
struct _zend_mm_page *first_page; // 指向第一个Page的指针
struct _zend_mm_chunk *next_chunk; // 指向下一个Chunk的指针
} zend_mm_chunk;Chunk的管理策略：
- 预分配： ZMM通常会预先分配一定数量的Chunk，以备将来使用。
- 惰性分配： 只有在真正需要内存时，才会分配Chunk。
- Chunk链表： ZMM使用链表来管理所有的Chunk，方便查找和释放。
三、Page：Chunk的划分
Page是Chunk的二级划分单位。每个Chunk会被分割成多个Page。Page的大小通常是固定的，并且与Slot的大小有关。Page的主要作用是将Chunk分割成更小的单元，方便Slot的分配。
一个Page包含多个Slot。Page的大小通常是Slot大小的整数倍，并且会包含一些元数据，用于管理Page中的Slot。
// 示例：Page的简单结构 (简化版)
typedef struct _zend_mm_page {
size_t size; // Page的大小
size_t free_slots; // 空闲Slot的数量
void *slots; // 指向第一个Slot的指针
struct _zend_mm_page *next_page; // 指向下一个Page的指针
} zend_mm_page;Page的管理策略：
- 固定大小： 每个Page的大小是固定的，方便管理。
- Slot计数： 每个Page会记录其中空闲Slot的数量，方便快速查找可用Slot。
- Page链表： Chunk内部使用链表来管理所有的Page。
四、Slot：最小的内存分配单元
Slot是ZMM中最小的内存分配单元。当PHP脚本需要分配内存时，ZMM会从Page中分配一个或多个Slot。Slot的大小是固定的，并且会根据PHP的配置选项进行调整。
Slot的主要作用是提供固定大小的内存块，用于存储PHP变量或其他数据。由于Slot的大小是固定的，因此可以避免外部碎片，提高内存利用率。
// 示例：Slot的简单结构 (简化版)
// 实际上Slot通常只是一个指针，指向一段可用内存
typedef struct _zend_mm_slot {
// 实际上Slot不需要显式结构体，而直接是void*
// 这里为了方便理解，假设存在一个结构体
// 实际应用中可能包含一些元数据，例如是否被使用等
size_t size;
//... 其他元数据
} zend_mm_slot;Slot的管理策略：
- 固定大小： 每个Slot的大小是固定的，避免外部碎片。
- Bitmap或链表： Page内部可以使用Bitmap或链表来管理Slot的分配和释放。
- 快速分配： 由于Slot的大小是固定的，因此可以快速分配和释放Slot。
五、ZMM的三级内存分配流程
现在，让我们将Chunk、Page和Slot这三个概念联系起来，看看ZMM是如何进行内存分配的。
- 请求内存： 当PHP脚本需要分配内存时，它会调用ZMM的分配函数（例如
emalloc）。 - 查找可用Slot： ZMM首先会尝试从现有的Page中查找可用的Slot。它会遍历Chunk中的Page链表，找到一个包含空闲Slot的Page。
- 分配Slot： 如果找到了可用的Slot，ZMM会将该Slot标记为已使用，并返回指向该Slot的指针。
- 分配Page： 如果没有找到可用的Slot，ZMM会尝试从当前的Chunk中分配一个新的Page。它会将Chunk分割成Page，并在新的Page中创建Slot。
- 分配Chunk： 如果当前的Chunk中没有足够的空间来分配新的Page，ZMM会向操作系统申请一个新的Chunk。
- 返回指针： 最终，ZMM会将指向分配到的Slot的指针返回给PHP脚本。
流程图：
+-------------------+ +-------------------+ +-------------------+
| PHP Script | ---> | Zend Memory | ---> | Operating System |
| (emalloc/efree) | | Manager (ZMM) | | (malloc/free) |
+-------------------+ +-------------------+ +-------------------+
| | |
| Request Memory | |
|--------------------->| |
| | Find Free Slot in |
| | Existing Page |
| |--------------------->|
| | If No Free Slot: |
| | - Allocate New Page|
| | from Chunk |
| | - If No Chunk Space:|
| | - Allocate New Chunk|
| | from OS |
| |--------------------->|
| | Return Pointer to |
| | Allocated Memory |
|<---------------------| |
| | |
| Return Pointer | |
|<---------------------| |六、ZMM的关键数据结构
ZMM的核心数据结构主要包括：
zend_mm_heap: 代表一个内存堆，管理多个Chunk。zend_mm_chunk: 代表一个内存块，包含多个Page。zend_mm_page: 代表一个内存页，包含多个Slot。
这些数据结构通过链表或其他数据结构相互连接，形成一个完整的内存管理系统。
// Zend 内存堆的简化结构 (zend_mm_heap)
typedef struct _zend_mm_heap {
size_t size; // 堆的总大小
zend_mm_chunk *first_chunk; // 指向第一个chunk的指针
// 其他管理数据，例如锁，统计信息等
} zend_mm_heap;七、ZMM的优点与缺点
优点：
- 高效性： 通过预分配和缓存等技术，减少了内存分配和释放的开销。
- 减少碎片： 通过固定大小的Slot，避免了外部碎片的产生。
- 可控性： 提供了对内存管理的细粒度控制，方便诊断和解决内存问题。
- 安全性： 通过内存保护机制，避免了内存泄漏和悬挂指针等问题。
缺点：
- 内部碎片： 由于Slot的大小是固定的，可能会产生内部碎片。例如，如果需要分配的内存大小略小于一个Slot的大小，仍然需要分配一个完整的Slot，导致一部分内存被浪费。
- 复杂性： ZMM的实现较为复杂，需要深入理解其内部机制才能进行优化和调试。
- 额外的开销： 管理Chunk、Page和Slot需要额外的内存开销。
八、ZMM的实际应用与优化
理解ZMM的原理，可以帮助我们更好地优化PHP应用。以下是一些实际应用和优化建议：
- 避免频繁的内存分配和释放： 尽量重用对象和数据，避免频繁的创建和销毁。
- 合理使用内存缓存： 使用内存缓存可以减少对数据库或其他资源的访问，提高性能。
- 注意内存泄漏： 及时释放不再使用的内存，避免内存泄漏。
- 使用合适的配置选项： 根据应用的需求，调整ZMM的配置选项，例如Chunk的大小、Slot的大小等。
- 使用内存分析工具： 使用内存分析工具可以帮助我们找到内存泄漏和性能瓶颈。
九、代码示例：模拟ZMM的Slot分配
以下是一个简单的C代码示例，模拟了ZMM中Slot的分配过程。请注意，这只是一个简化版的示例，用于演示ZMM的基本原理。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define SLOT_SIZE 16 // 假设Slot的大小为16字节
#define PAGE_SIZE 256 // 假设Page的大小为256字节
#define SLOTS_PER_PAGE (PAGE_SIZE / SLOT_SIZE) // 每个Page包含的Slot数量
typedef struct _slot {
int used; // 标记Slot是否被使用
//... 其他元数据
} slot;
typedef struct _page {
slot slots[SLOTS_PER_PAGE];
struct _page *next;
} page;
typedef struct _chunk {
page *first_page;
size_t free_pages;
} chunk;
// 初始化chunk
chunk* init_chunk() {
chunk* new_chunk = (chunk*)malloc(sizeof(chunk));
if (new_chunk == NULL) {
perror("Failed to allocate chunk");
exit(1);
}
new_chunk->first_page = NULL;
new_chunk->free_pages = 0;
return new_chunk;
}
// 初始化page
page* init_page() {
page* new_page = (page*)malloc(sizeof(page));
if (new_page == NULL) {
perror("Failed to allocate page");
return NULL;
}
for (int i = 0; i < SLOTS_PER_PAGE; i++) {
new_page->slots[i].used = 0; // 初始化所有slot为空闲
}
new_page->next = NULL;
return new_page;
}
// 在Page中查找空闲Slot
slot* find_free_slot(page* p) {
if (!p) return NULL;
for (int i = 0; i < SLOTS_PER_PAGE; i++) {
if (!p->slots[i].used) {
return &p->slots[i];
}
}
return NULL;
}
// 从Chunk中分配Slot
void* allocate_slot(chunk* c) {
if (!c) return NULL;
// 1. 遍历现有的Page，查找空闲Slot
page* current_page = c->first_page;
while (current_page != NULL) {
slot* free_slot = find_free_slot(current_page);
if (free_slot != NULL) {
free_slot->used = 1; // 标记为已使用
return (void*)free_slot; // 返回Slot的指针
}
current_page = current_page->next;
}
// 2. 如果没有找到空闲Slot，则分配新的Page
page* new_page = init_page();
if (new_page == NULL) {
return NULL; // 内存分配失败
}
// 将新的Page添加到Chunk的链表中
new_page->next = c->first_page;
c->first_page = new_page;
c->free_pages++;
// 从新的Page中分配Slot
slot* free_slot = find_free_slot(new_page);
if (free_slot != NULL) {
free_slot->used = 1; // 标记为已使用
return (void*)free_slot; // 返回Slot的指针
}
return NULL; // 理论上不应该发生
}
// 释放Slot
void free_slot(chunk* c, void* ptr) {
if (!c || !ptr) return;
// 遍历Chunk中的Page，查找包含该Slot的Page
page* current_page = c->first_page;
while (current_page != NULL) {
// 检查ptr是否指向当前Page中的Slot
if ((void*)current_page->slots <= ptr && ptr < (void*)(current_page->slots + SLOTS_PER_PAGE)) {
// 计算Slot的索引
size_t index = (size_t)(((char*)ptr - (char*)current_page->slots) / SLOT_SIZE);
// 检查索引是否有效
if (index >= 0 && index < SLOTS_PER_PAGE) {
// 标记Slot为空闲
current_page->slots[index].used = 0;
return;
}
}
current_page = current_page->next;
}
printf("Error: Invalid pointer to free.n");
}
int main() {
// 创建一个Chunk
chunk* my_chunk = init_chunk();
// 分配一个Slot
void* ptr1 = allocate_slot(my_chunk);
if (ptr1 != NULL) {
printf("Allocated slot at: %pn", ptr1);
}
// 分配第二个Slot
void* ptr2 = allocate_slot(my_chunk);
if (ptr2 != NULL) {
printf("Allocated slot at: %pn", ptr2);
}
// 释放第一个Slot
free_slot(my_chunk, ptr1);
printf("Freed slot at: %pn", ptr1);
// 尝试再次分配Slot，应该可以使用之前释放的Slot
void* ptr3 = allocate_slot(my_chunk);
if (ptr3 != NULL) {
printf("Re-allocated slot at: %pn", ptr3);
}
// 释放内存 (简化，没有释放所有Page)
free(my_chunk->first_page);
free(my_chunk);
return 0;
}这个示例代码演示了如何创建一个Chunk，分配和释放Slot，以及如何管理Page。虽然它只是一个简化版的示例，但它可以帮助你更好地理解ZMM的基本原理。
最后的思考
Zend Memory Manager 是 PHP 性能的关键组成部分。理解 Chunk、Page 和 Slot 的三级结构有助于我们编写更高效的代码，减少内存泄漏，并优化 PHP 应用的整体性能。 熟悉内存分配和释放的流程，可以帮助我们解决一些隐蔽的内存相关的问题。