浅析PHP原理之变量分离/引用(Variables Separation)

2019-11-22 00:17:30

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供稿：网友

首先我们回顾一下zval的结构：

struct _zval_struct {
        /* Variable information */
        zvalue_value value; /* value */
        zend_uint refcount;
        zend_uchar type; /* active type */
        zend_uchar is_ref;
};

其中的refcount和is_ref字段我们一直都没有介绍过，我们知道PHP是一个长时间运行的服务器端的脚本解释器。那么对于它来说，效率和资源占用率是一个很重要的衡量标准，也就是说，PHP必须尽量介绍内存占用率，考虑下面这段代码：

复制代码代码如下:

<?php
   $var = "laruence";
   $var_dup = $var;
   unset($var);
?>

第一行代码创建了一个字符串变量，申请了一个大小为9字节的内存，保存了字符串”laruence”和一个NULL(/0)的结尾。
第二行定义了一个新的字符串变量，并将变量var的值”复制”给这个新的变量。
第三行unset了变量var
这样的代码在我们平时的脚本中是很常见的，如果PHP对于每一个变量赋值都重新分配内存，copy数据的话，那么上面的这段代码公要申请18个字节的内存空间，而我们也很容易的看出来，上面的代码其实根本没有必要申请俩份空间，呵呵，PHP的开发者也看出来了：
我们之前讲过，PHP中的变量是用一个存储在symbol_table中的符号名，对应一个zval来实现的，比如对于上面的第一行代码，会在symbol_table中存储一个值”var”, 对应的有一个指针指向一个zval结构，变量值”laruence”保存在这个zval中，所以不难想象，对于上面的代码来说，我们完全可以让”var”和”var_dup”对应的指针都指向同一个zval就可以了。
PHP也是这样做的，这个时候就需要介绍我们之前一直没有介绍过的zval结构中的refcount字段了。
refcount,顾名思义，记录了当前的zval被引用的计数。
比如对于代码:

复制代码代码如下:

<?php
   $var = 1;
   $var_dup = $var;
?>

第一行，创建了一个整形变量，变量值是1。此时保存整形1的这个zval的refcount为1。
第二行，创建了一个新的整形变量，变量也指向刚才创建的zval，并将这个zval的refcount加1，此时这个zval的refcount为2。
PHP提供了一个函数可以帮助我们了解这个过程debug_zval_dump:

复制代码代码如下:

<?php
$var = 1;
debug_zval_dump($var);
$var_dup = $var;
debug_zval_dump($var);
?>

输出：
long(1) refcount(2)
long(1) refcount(3

如果你奇怪，var的refcount应该是1啊？
我们知道，对于简单变量，PHP是以传值的形式穿参数的。也就是说，当执行debug_zval_dump($var)的时候，$var会以传值的方式传递给debug_zval_dump，也就是会导致var的refcount加1，所以我们只要能看到，当变量赋值给一个变量以后，能导致zval的refcount加1这个事实即可。
现在我们回头看文章开头的代码，当执行了最后一行unset($var)以后，会发生什么呢？对，既是refcount减1，上代码：

复制代码代码如下:

<?php
   $var = "laruence";
   $var_dup = $var;
   unset($var);
   debug_zval_dump($var_dup);
?>

输出：
string(8) "laruence" refcount(2

但是，对于下面的代码呢？

复制代码代码如下:

<?php
   $var = "laruence";
   $var_dup = $var;
   $var = 1;
?>

很明显在这段代码执行以后，$var_dup的值应该还是”laruence”, 那么这又是怎么实现的呢？
这就是PHP的copy on write机制：
PHP在修改一个变量以前，会首先查看这个变量的refcount，如果refcount大于1，PHP就会执行一个分离的例程，对于上面的代码，当执行到第三行的时候，PHP发现$var指向的zval的refcount大于1，那么PHP就会复制一个新的zval出来，将原zval的refcount减1，并修改symbol_table，使得$var和$var_dup分离(Separation)。这个机制就是所谓的copy on write(写时复制)。
上代码测试：

复制代码代码如下:

<?php
   $var = "laruence";
   $var_dup = $var;
   $var = 1;
   debug_zval_dump($var);
   debug_zval_dump($var_dup);
?>

输出：
long(1) refcount(2)
string(8) "laruence" refcount(2

现在我们知道，当使用变量复制的时候，PHP内部并不是真正的复制，而是采用指向相同的结构来尽量节约开销。那么，对于PHP中的引用，那又是如何实现呢？

复制代码代码如下:

<?php
   $var = "laruence";
   $var_ref = &$var;
   $var_ref = 1;
?>

这段代码结束以后，$var也会被间接的修改为1，这个过程称作(change on write:写时改变)。那么ZE是怎么知道，这次的复制是不需要Separation的呢？
这个时候就要用到zval中的is_ref字段了：
对于上面的代码，当第二行执行以后，$var所代表的zval的refcount变为2，并且同时置is_ref为1。
到第三行的时候，PHP先检查var_ref代表的zval的is_ref字段，如果为1，则不分离，大体逻辑示意如下：

复制代码代码如下:

 if((*val)->is_ref || (*val)->refcount<2){
          //不执行Separation
        ... ;//process
  }

但是，问题又来了，对于如下的代码，又会怎样呢？

复制代码代码如下:

<?php
   $var = "laruence";
   $var_dup = $var;
   $var_ref = &$var;
?>

对于上面的代码，存在一对copy on write的变量$var和$var_dup, 又有一对change on write机制的变量对$var和$var_ref，这个情况又是如何运作的呢？
当第二行执行的时候，和前面讲过的一样，$var_dup 和 $var 指向相同的zval， refcount为2.
当执行第三行的时候，PHP发现要操作的zval的refcount大于1，则，PHP会执行Separation, 将$var_dup分离出去，并将$var和$var_ref做change on write关联。也就是，refcount=2, is_ref=1;
基于这样的分析，我们就可以让debug_zval_dump出refcount为1的结果来：

复制代码代码如下:

<?php
     $var = "laruence";
    $var_dup = &$var;
     debug_zval_dump($var);
?>

输出：
string(8) "laruence" refcount(1

详细原因，读者你只要稍加分析就能得出，我就不越俎代庖了。；）
这次我们介绍了PHP的变量分离机制，下次我会继续介绍如果在扩展中接收和传出PHP脚本中的参数。

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