变量改变时PHP内核做了些什么？

引言

内容来自于《Extending and Embedding PHP》- Chaper 3 - Memory Management，加上自己的理解，对php中变量的引用计数、写时复制，写时改变，写时复制和改变做个”翻译“。

zval

看下面的内容之前先对zval这个结构体做个了解

typedef struct _zval_struct {
    zvalue_value value;
    zend_uint refcount;
    zend_uchar type;
    zend_uchar is_ref;
} zval;

zval结构体中共有4个元素，value是一个联合体，用来真正的存储zval的值，refcount用来计数该zval被多少个变量使用，type表示zval所存储的数据类型，is_ref用来标志该zval是否被引用。

引用计数

<?php
    $a = 'Hello World';
    $b = $a;
    unset($a);
?>

我们一起来剖析下上面这段代码：

• $a = 'Hello World';首先这句代码被执行，内核创建一个变量，并分配12字节的内存去存储字符串'Hello World'和末尾的NULL。
• $b = $a;接着执行这句代码，执行这句的时候内核里面发生了什么呢？

  • 对$a所指向的zval中的refcount进行加1操作。

  • 将变量$b指向$a所指向的zval。
    在内核中大概是这样的，其中active_symbol_table是当前的变量符号表

          {
              zval *helloval;
              MAKE_STD_ZVAL(helloval);
              ZVAL_STRING(helloval, "Hello World", 1);
              zend_hash_add(EG(active_symbol_table), "a", sizeof("a"),
                                                  &helloval, sizeof(zval*), NULL);
              ZVAL_ADDREF(helloval);
              zend_hash_add(EG(active_symbol_table), "b", sizeof("b"),
                                                  &helloval, sizeof(zval*), NULL);
          }
    

• unset($a);这句代码执行后，内核会将\(a对应的zval结构体中的refcount计数减一，\)b还和原来一样

写时复制

<?php
    $a = 1;
    $b = $a;
    $b += 5;
?>

上面这段代码执行完之后，一般肯定希望$a=1,$b=6,但是如果像引用计数那样，$a和$b指向相同的zval，修改$b之后$a不是也变了？
这个具体是怎么实现的呢，我们一起来看下：

• $a = 1;内核创建一个zval，并分配4个字节存储数字1。
• $b = $a;这一步和引用计数中的第二步一样，将$b指向和$a相同的zval，并将zval中的引用计数值refcount加1。
• $b += 5;关键是这一步，这一步骤发生了什么呢，怎么确保修改之后不影响$a。

  • 其实Zend内核在改变zval之前都会去进行get_var_and_separete操作，如果recfount>1,就需要分离就创建新的zval返回，否则直接返回变量所指向的zval，下面看看如何分离产生新的zval。

  • 复制一个和$b所指向zval一样的zval。

  • 将$b所指向的zval中的refcount计数减1。

  • 初始化生成的新zval，设置refcount=1，is_ref=0。

  • 让$b指向新生成的zval。

  • 对新生成的zval进行操作，这就是写时复制。
    下面看看内核中分离时的主要代码：

          zval *get_var_and_separate(char *varname, int varname_len TSRMLS_DC)
          {
              zval **varval, *varcopy;
              if (zend_hash_find(EG(active_symbol_table),
                              varname, varname_len + 1, (void**)&varval) == FAILURE) {
              /* Variable doesn't actually exist  fail out */
              return NULL;
          }
          if ((*varval)->is_ref || (*varval)->refcount < 2) {
              /* varname is the only actual reference,
              * or it's a full reference to other variables
              * either way: no separating to be done
              */
              return *varval;
          }
          /* Otherwise, make a copy of the zval* value */
          MAKE_STD_ZVAL(varcopy);
          varcopy = *varval;
          /* Duplicate any allocated structures within the zval* */
          zval_copy_ctor(varcopy);
          
          /* Remove the old version of varname
          * This will decrease the refcount of varval in the process
          */
          zend_hash_del(EG(active_symbol_table), varname, varname_len + 1);
          
          /* Initialize the reference count of the
          * newly created value and attach it to
          * the varname variable
          */
          varcopy->refcount = 1;
          varcopy->is_ref = 0;
          zend_hash_add(EG(active_symbol_table), varname, varname_len + 1,
                                                  &varcopy, sizeof(zval*), NULL);
          /* Return the new zval* */
          return varcopy;
          }
    

写时改变

<?php
    $a = 1;
    $b = &$a;
    $b += 5;
?>

上面这段代码执行完之后一般希望是：$a == $b == 6。这个又是怎么实现的呢？

• $a = 1;这一步骤和写时复制中的第一步一样。
• $b = &$a;这一步骤内核会将$b指向$a所指向的zval，将zval中的refcount加1，并将zval中的is_ref置为1。
• $b += 5;这一步骤和写时复制中的第三步骤一样，但是内核中发生的事情却不一样。
  • 内核看到$b进行变化的时候，也会执行get_var_and_separate函数，看是否需要分离。
  • 如果(*varval)->is_ref的话也会直接返回$b所指向的zval，不去分离产生新的zval，不管zval的refcount是否>1。
  • 这时候再去修改$b值，$a的值也就改变了，因为他们指向相同的zval。

分离的问题

说道现在聪明的你可能已经看出点问题了，如果一个zval结构体既有refcount计数又有is_ref引用这个时候怎么办？

<?php
    $a = 1;
    $b = $a;
    $c = &$a;
?>

如果出现上面这种情况的时候，如果$a、$b、$c指向同一个zval结构体，进行改变的时候Zend到底去听谁的？其实这个地方不会指向同一个zval了。
如果对一个is_ref = 0 && refcount >1的zval进行写时改变这种赋值形式(就是引用赋值)的时候，Zend会将等号右边的变量分离出来一个新的zval，
对这个zval进行初始化，对之前的zval的refcount进行减1操作，让等号左边的变量指向这个新的zval，refcount进行加1操作，is_ref=1。看看下面这张图片

<?php
    $a = 1;
    $b = &$a;
    $c = $a;
?>

上面这又是另外一种情况，在is_ref = 1的情况下，试图单纯的进行refcount+1操作的时候会分离出来一个新的zval给等号左边的变量，并初始化他，看看下面这张图片

global和$GLOBALS['']

这两个用的比交多的都是将全局作用域下的变量引入到函数作用域，但是他们之间是有一点差距的。

1. global \(a 是全局作用域的\)a的引用。
2. \(GLOBALS['a'] 是全局作用域的\)a变量本身。

参考文献

1.《Extending and Embedding PHP》- Chaper 3 - Memory Management.
2. PHP中global与$GLOBALS['']区别

微信号： love_skills

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