PHP的`unset()`操作：Zval引用计数的减一与GC触发的机制

大家好，今天我们来深入探讨PHP中unset()操作，以及它如何影响Zval的引用计数，并最终可能触发垃圾回收（GC）。理解这些机制对于编写高效、稳定、避免内存泄漏的PHP代码至关重要。

1. Zval：PHP变量的基石

在PHP的底层实现中，变量并非直接存储值，而是通过一个名为zval的结构体来间接存储。zval包含变量的类型信息、值本身（或指向值的指针）以及一个重要的属性：引用计数。

typedef struct _zval_struct zval;

struct _zval_struct {
    zend_value          value;      /* 变量的值 */
    zend_uchar          type;       /* 变量的类型 */
    zend_uchar          is_refcounted;  /* 是否是引用计数变量 */
    zend_uchar          refcount_is_long; /* 引用计数是否是long类型 */
    zend_ulong          refcount;   /* 引用计数 */
};

zend_value: 存储变量的实际值。根据变量类型，它可以是整数、浮点数、字符串、数组、对象等。
type: 枚举类型，表示变量的类型(IS_NULL, IS_LONG, IS_DOUBLE, IS_STRING, IS_ARRAY, IS_OBJECT, IS_RESOURCE, IS_BOOL)。
is_refcounted: 一个布尔值，指示该zval是否使用引用计数。对于标量类型(integer, float, boolean, string)，如果is_refcounted为真，那么refcount字段才有效。
refcount_is_long: 在PHP7.0及以后，该字段用于标识引用计数是否使用long类型存储。
refcount: 一个无符号长整型，用于存储引用计数的值。

2. 引用计数：内存管理的利器

PHP使用引用计数作为其主要的内存管理机制。当一个变量被赋值给另一个变量、作为函数参数传递或存储在数组中时，其对应的zval的引用计数会增加。相反，当一个变量超出作用域、被unset()删除或被赋予新值时，引用计数会减少。

3. unset()操作：减少引用计数

unset()函数的主要作用就是销毁指定的变量。更准确地说，它会减少该变量所关联的zval的引用计数。

<?php
$a = "hello"; // 创建一个字符串 "hello", zval的引用计数为1
$b = $a;     // $b指向与$a相同的zval, 引用计数增加到2
unset($a);   // $a不再指向该zval, 引用计数减少到1
echo $b;      // 输出 "hello"
?>

在这个例子中，unset($a)并没有立即释放"hello"字符串所占用的内存。只是将引用计数从2减小到1。只有当引用计数变为0时，PHP才会真正释放该zval所占用的内存。

4. 引用：特殊的引用计数情况

PHP中的引用（使用&符号）会直接影响zval的引用计数和is_refcounted标志。

<?php
$a = "hello"; // 创建一个字符串 "hello", zval的引用计数为1
$b = &$a;    // $b是$a的引用, 引用计数增加到2, 并且zval的is_refcounted标志设置为1
$b = "world"; // 修改$b的值，因为是引用，所以$a的值也被修改
echo $a;      // 输出 "world"

unset($b);   // $b不再是引用, 引用计数减少到1
echo $a;      // 输出 "world"

unset($a);   // $a不再指向该zval, 引用计数减少到0, 内存被释放
?>

使用引用时，is_refcounted会被设置为1，表明这是一个引用计数变量。修改引用变量的值会直接修改其引用的原始变量的值，因为它们共享同一个zval。 unset() 作用在引用变量上，仅仅是解除引用关系，减少引用计数。

5. 循环引用：内存泄漏的根源

循环引用是指两个或多个变量相互引用，形成一个环状结构。即使这些变量超出作用域或被unset()，它们的引用计数仍然大于0，导致它们所占用的内存无法被释放，从而造成内存泄漏。

<?php
$a = array();
$b = array();

$a['b'] = &$b; // $a引用$b
$b['a'] = &$a; // $b引用$a

// 此时，$a和$b相互引用，形成循环引用

unset($a);
unset($b);

// 即使$a和$b被unset()，它们的引用计数仍然为1，内存无法释放
?>

在这个例子中，$a和$b相互引用，形成了一个循环。即使使用unset()删除了这两个变量，它们的引用计数仍然是1，因为它们仍然相互引用。这导致它们所占用的内存无法被释放，造成内存泄漏。

6. 垃圾回收机制（GC）：打破循环引用

为了解决循环引用造成的内存泄漏问题，PHP引入了垃圾回收机制（GC）。GC的主要任务是检测并打破循环引用，释放不再使用的内存。

PHP的GC采用标记清除算法 (Mark and Sweep)。大致分为以下几个步骤：

根扫描 (Root Scanning): GC 首先会找到所有的根节点 (root nodes)。根节点是指那些可以直接访问到的变量，例如全局变量、静态变量和当前执行栈中的变量。
标记 (Marking): 从根节点开始，GC 递归地遍历所有可达的对象，并将它们标记为"已访问"。这意味着这些对象仍然被程序使用。
清除 (Sweeping): 遍历所有对象，将未被标记的对象视为垃圾对象，回收它们所占用的内存。同时，也会清除被标记的对象的标记，以便下次 GC 可以正常工作。
压缩 (Compaction): 可选步骤，整理内存碎片，提高内存利用率。 PHP通常不执行压缩操作，而是依赖操作系统的内存管理机制。

PHP的GC不是实时运行的，而是周期性地触发。触发GC的条件主要有以下几种：

达到一定的内存分配阈值: 当分配的内存达到一定量时，GC会被触发。这个阈值可以通过 gc_collect_cycles() 函数手动设置，也可以通过 php.ini 文件中的 memory_limit 配置项进行配置。
显式调用 gc_collect_cycles() 函数: 可以使用 gc_collect_cycles() 函数手动触发 GC。
请求结束: 在请求结束时，PHP会自动运行GC，回收所有未释放的内存。

7. GC如何打破循环引用？

PHP的GC通过以下步骤来打破循环引用：

识别潜在的循环引用: GC会扫描所有对象，查找可能存在循环引用的对象。这通常通过检查对象的属性和数组元素来实现。
减少可疑的引用计数: 对于被认为是循环引用一部分的对象，GC会临时减少它们的引用计数。
判断是否可达: 从根节点出发，重新遍历对象图。如果一个对象仍然可达，则说明它不是垃圾，恢复其引用计数。
回收垃圾: 对于那些引用计数为0且不可达的对象，GC会将其视为垃圾，回收其内存。

<?php
function test_gc() {
    $a = array();
    $b = array();

    $a['b'] = &$b;
    $b['a'] = &$a;

    // 循环引用创建
    echo "Before unset: n";
    echo "a refcount: " . gc_refcount($a) . "n"; // 输出 2
    echo "b refcount: " . gc_refcount($b) . "n"; // 输出 2

    unset($a);
    unset($b);

    echo "After unset: n";
    echo "a refcount: " . gc_refcount($a) . "n"; // 输出 0
    echo "b refcount: " . gc_refcount($b) . "n"; // 输出 0

    gc_collect_cycles(); // 手动触发垃圾回收

    echo "After gc_collect_cycles(): n";
    echo "a refcount: " . gc_refcount($a) . "n"; // 输出 0
    echo "b refcount: " . gc_refcount($b) . "n"; // 输出 0  (已经被回收)

}

test_gc();
?>

在这个例子中，gc_collect_cycles() 函数被用来手动触发垃圾回收。 GC 会检测到 $a 和 $b 之间的循环引用，并打破它，从而释放 $a 和 $b 所占用的内存。在 unset之后，虽然 $a和$b的引用计数降为了0，但是因为他们仍然存在于可能被回收的链表中，所以使用gc_refcount()依然可以获取到值，但是经过gc_collect_cycles()之后，就真的被回收了，所以无法获取到值。

8. 避免循环引用：最佳实践

虽然PHP的GC可以处理循环引用，但最好还是尽量避免循环引用的产生，以减少GC的负担，提高程序性能。

使用对象而不是数组进行复杂数据结构的管理: 对象可以更好地控制属性的访问和修改，减少意外产生循环引用的可能性。
在不需要引用时，及时解除引用: 使用 unset() 函数可以解除引用关系，减少引用计数。
避免在对象之间建立不必要的双向关联: 如果只需要单向关联，则不要创建双向关联。
使用弱引用 (Weak References): PHP 7.4 引入了 WeakReference 类，可以用来创建弱引用。弱引用不会增加对象的引用计数，当对象被垃圾回收时，弱引用会自动失效。

9. 深入理解gc_collect_cycles()

gc_collect_cycles() 函数是PHP中手动触发垃圾回收的函数。它的作用是强制执行一次垃圾回收过程，尝试释放未使用的内存。

int gc_collect_cycles ( void )

该函数没有参数，返回值为回收的周期数。如果没有周期被回收，则返回 0。

10. gc_enabled()和gc_disable()

PHP提供了gc_enabled()和gc_disable()函数来控制垃圾回收器的开启和关闭。

bool gc_enabled ( void ) // 返回当前垃圾回收器是否开启。
void gc_disable ( void ) // 关闭垃圾回收器。
void gc_enable ( void )  // 开启垃圾回收器。

通常情况下，不建议手动关闭垃圾回收器，除非有特殊的需求，例如需要尽可能地减少内存占用，并且确信不会发生内存泄漏。

11. gc_status()

PHP 5.3.0 引入了 gc_status() 函数，允许检查垃圾回收器的状态。

array gc_status ( void )

返回值是一个关联数组，包含以下键：

running: 垃圾回收器是否正在运行。
collected: 自上次调用 gc_status() 以来回收的周期数。
threshold: 触发垃圾回收的内存阈值。
roots: 根节点的数量。

12. 引用计数的减少和内存释放

当unset()或者其他操作导致zval的引用计数减少到0时，并不意味着该zval的内存立即被释放。实际上，PHP会先将该zval放入一个"可能被回收"的链表中。只有当垃圾回收器运行时，才会真正释放该zval的内存。这种延迟释放的机制可以提高性能，避免频繁的内存分配和释放操作。

13. 总结

unset()操作通过减少Zval的引用计数来释放变量资源。
引用计数是PHP内存管理的关键，循环引用是内存泄漏的常见原因。
垃圾回收机制（GC）用于检测并打破循环引用，释放不再使用的内存。
避免循环引用，合理使用引用，手动触发GC可以帮助编写更高效的PHP代码。

14. 通过实例代码理解引用计数和GC

我们来看一个更复杂的例子，演示循环引用和GC的作用：

<?php

class MyObject {
    public $data;
    public $ref;

    public function __construct($data) {
        $this->data = $data;
    }

    public function __destruct() {
        echo "Destructing MyObject with data: " . $this->data . "n";
    }
}

function create_circular_reference() {
    $obj1 = new MyObject("Object 1");
    $obj2 = new MyObject("Object 2");

    $obj1->ref = $obj2;
    $obj2->ref = $obj1;

    echo "Before unset: n";
    echo "obj1 refcount: " . gc_refcount($obj1) . "n"; // 输出 2
    echo "obj2 refcount: " . gc_refcount($obj2) . "n"; // 输出 2

    unset($obj1);
    unset($obj2);

    echo "After unset: n";
    echo "obj1 refcount: " . gc_refcount($obj1) . "n"; // 输出 0
    echo "obj2 refcount: " . gc_refcount($obj2) . "n"; // 输出 0

    echo "Calling gc_collect_cycles()...n";
    gc_collect_cycles();

    echo "After gc_collect_cycles(): n";
    // 此时，obj1 和 obj2 已经被回收，无法再访问，尝试访问会报错
    //echo "obj1 refcount: " . gc_refcount($obj1) . "n";
    //echo "obj2 refcount: " . gc_refcount($obj2) . "n";

    echo "Function finished.n";

}

create_circular_reference();

echo "Script finished.n";

?>

在这个例子中，我们创建了两个对象 $obj1 和 $obj2，它们相互引用。当我们 unset() 这两个变量后，它们的引用计数仍然为 1，因此它们的 __destruct() 方法不会被调用。通过调用 gc_collect_cycles()，我们强制执行垃圾回收，打破循环引用，并释放这两个对象所占用的内存。这时，__destruct() 方法会被调用。

15. GC相关的配置项

php.ini 文件中包含一些与垃圾回收相关的配置项：

zend.enable_gc: 是否启用垃圾回收器。默认值为 1 (启用)。
memory_limit: 脚本可以使用的最大内存量。当脚本使用的内存达到这个限制时，PHP会尝试触发垃圾回收。

16. 总结：unset() 影响引用计数，GC打破循环

unset()通过减少zval的引用计数来释放变量，引用计数机制是PHP内存管理的核心。循环引用会导致内存泄漏，而垃圾回收机制用于打破循环引用，释放不再使用的内存。理解这些机制对于编写高效、稳定的PHP代码至关重要。通过避免循环引用、合理使用引用和手动触发GC，我们可以更好地控制内存使用，提高程序性能。

PHP的unset()操作：Zval引用计数的减一与GC触发的机制

发表回复 取消回复

PHP的`unset()`操作：Zval引用计数的减一与GC触发的机制

发表回复取消回复