本章内容主要来源于秦朋先生编著的《PHP7内核剖析》这本书籍，感兴趣的小伙伴可以购买该书，进行系统性学习。

概述

通过引用计数，PHP实现了变量的自动GC机制，但是有一种情况是这个机制无法解决的，从而因变量无法回收导致内存始终得不到释放，造成内存泄漏，这种情况指的是循环引用。简单的讲就是变量的内部成员引用了变量自身，比如数组中的某个元素指向了数组，这样一来，数组的引用计数中就有一个来自自身成员，当所有的外部引用全部断开时，数组的refcount仍然大于0而得不到释放，而实际上这种变量不可能再被使用了。

  1. $a = array(1);
  2. $a[] = &$a;
  3. unset($a);

unset之前，变量$a的类型为引用，该引用的refcount=2，一个来自$a，另一个来自$a[1]。
unset之后，减少了一次该引用的refcount，此时已经没有任何的外部引用，但是数组中仍然有一个元素指向该引用。

这种因为循环引用而导致的无法释放的变量称之为垃圾。

回收机制

PHP引用另外一种机制来对这些垃圾进行回收，也就是垃圾回收器。

  • 如果一个变量value的refcount减少到0，那么此value可以被释放掉，不属于垃圾。
  • 如果一个变量value的refcount减少之后大于0，那么此value还不能被释放，此value可能成为一个垃圾。

对于可能成为垃圾的变量会被垃圾回收器收集起来，等达到一定数量后开始启动垃圾鉴定程序，把真正的垃圾释放掉。

目前垃圾只会出现在array、object这两种类型中，其他类型不会出现这种变量中的成员引用变量自身的情况，所以垃圾回收器只会处理这两种类型。垃圾回收器判断是否要收集疑似垃圾时，并不是根据类型进行判断的，而是通过zval.u1.type_flag进行标识的，只有包含IS_TYPE_COLLECTABLE标识的变量类型才会被收集。

垃圾回收器把收集到的可能垃圾垃圾保存到一个buffer缓存区中，收集的时机是refcount减少时，也就是每次refcount减少时都会试图收集，但发现已经收集后就不再重复收集。

回收算法

垃圾回收器收集的疑似垃圾达到一定数量后，就会启动垃圾鉴定、回收程序。回收算法的原理很简单：既然垃圾是由于成员引用自身导致的，那么就对value的所有成员减一遍引用计数，结果如果发现value本身refcount变为0，则就表明其引用全部来自自身成员，具体的回收过程：

  • 遍历垃圾回收器的buffer缓存区，把当前value标为灰色（GC_GREY），然后对当前value的成员进行深度优先遍历，把成员value的refcount减1，并且也标为灰色。
  • 重复遍历buffer，检查当前value引用是否为0，为0则表示确实是垃圾，把它标为白色（GC_WHITE），如果不为0，则排除了引用全部来自自身成员的可能，表示还有外部的引用，并不是垃圾，这时候因为第一步对成员进行了refcount减1操作，需要再还原回去，对所有成员进行深度遍历，把成员refcount加1，同时标为黑色。
  • 再次遍历buffer，将非GC_WHITE的节点从buffer中删除，最终buffer缓存区中全部为真正的垃圾，最后将这些垃圾释放，回收完成。

垃圾缓存区

垃圾回收器主要通过zend_gc_globals这个结构对垃圾进行管理，收集到的疑似垃圾的value就保存在这个结构的buf中。

  1. // PHP 7.0.12
  2. typedef struct _gc_root_buffer {
  3.     zend_refcounted          *ref;
  4.     struct _gc_root_buffer   *next;     /* double-linked list               */
  5.     struct _gc_root_buffer   *prev;
  6.     uint32_t                 refcount;
  7. } gc_root_buffer;
  9. typedef struct _zend_gc_globals {
  10.     zend_bool         gc_enabled;
  11.     zend_bool         gc_active;
  12.     zend_bool         gc_full;
  14.     gc_root_buffer   *buf;                /* preallocated arrays of buffers   */
  15.     gc_root_buffer    roots;            /* list of possible roots of cycles */
  16.     gc_root_buffer   *unused;            /* list of unused buffers           */
  17.     gc_root_buffer   *first_unused;        /* pointer to first unused buffer   */
  18.     gc_root_buffer   *last_unused;        /* pointer to last unused buffer    */
  20.     gc_root_buffer    to_free;            /* list to free                     */
  21.     gc_root_buffer   *next_to_free;
  23.     uint32_t gc_runs;
  24.     uint32_t collected;
  26. #if GC_BENCH
  27.     uint32_t root_buf_length;
  28.     uint32_t root_buf_peak;
  29.     uint32_t zval_possible_root;
  30.     uint32_t zval_buffered;
  31.     uint32_t zval_remove_from_buffer;
  32.     uint32_t zval_marked_grey;
  33. #endif
  35. } zend_gc_globals;
  38. // PHP 7.4.15
  39. typedef struct _gc_root_buffer {
  40.     zend_refcounted  *ref;
  41. } gc_root_buffer;
  43. typedef struct _zend_gc_globals {
  44.     gc_root_buffer   *buf;                /* preallocated arrays of buffers   */
  46.     zend_bool         gc_enabled;
  47.     zend_bool         gc_active;        /* GC currently running, forbid nested GC */
  48.     zend_bool         gc_protected;     /* GC protected, forbid root additions */
  49.     zend_bool         gc_full;
  51.     uint32_t          unused;            /* linked list of unused buffers    */
  52.     uint32_t          first_unused;        /* first unused buffer              */
  53.     uint32_t          gc_threshold;     /* GC collection threshold          */
  54.     uint32_t          buf_size;            /* size of the GC buffer            */
  55.     uint32_t          num_roots;        /* number of roots in GC buffer     */
  57.     uint32_t gc_runs;
  58.     uint32_t collected;
  60. #if GC_BENCH
  61.     uint32_t root_buf_length;
  62.     uint32_t root_buf_peak;
  63.     uint32_t zval_possible_root;
  64.     uint32_t zval_buffered;
  65.     uint32_t zval_remove_from_buffer;
  66.     uint32_t zval_marked_grey;
  67. #endif
  68. } zend_gc_globals;

分析PHP 7.0.12

  • gc_enable：是否启用GC
  • gc_active：是否在垃圾检查过程中
  • gc_full：缓存区是否已满
  • *buf：垃圾缓存区
  • roots：buf中最新加入的一个疑似垃圾
  • *unused：buf中没有使用的buffer
  • *first_unused：buf中第一个没有使用的buffer
  • *last_unused：buf的尾部
  • to_free、next_to_free：待释放垃圾
  • gc_runs：统计gc运行次数
  • collected：统计已回收的垃圾数

buf用于保存收集到的value，他是一个数组，在垃圾回收器初始化一次性分配了10001个gc_root_buffer，其中第一个buffer被保留，插入value时直接取出可用节点即可。roots指向buf中最新加入的一个节点，roots是一个双向链表的头部，之所以是一个双向链表，是因为buf数组中保存的只是有可能成为垃圾的value，其中有些value在加入之后又被删除了（比如有的value在之后的操作中refcount变为0了，这个时候就需要从buf中删除了），这样buf数组中就会出现一些空隙。first_unused一开始指向buf的第一个位置，有元素插入roots时如果first_unused还没有到达buf的尾部，则返回first_buffer给最新的元素，然后执行first_unused++，直到last_unused。

unused成员，它的含义与first_unused类似，用来管理buf中开始加入后面又删除的节点，这是一个单链表。也就是说，first_unused是一只往后偏移的，直到buf的结尾，buf中间由于value删除而重新空闲的节点则由unused串起来。下次有新的value插入roots时优先使用unused的这些节点，其次才是first_unused的节点。

垃圾回收机制可以通过php.ini中的zend.enable_gc设置是否开启，默认是开启的。

（后续进行源码分析）