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
<code class="hljs thrift" style="font-family: 'Courier New', sans-serif !important; line-height: 1.5 !important; font-size: 12px !important; background-color: rgb(245, 245, 245) !important; border: 1px solid rgb(204, 204, 204) !important; padding: 5px !important; border-top-left-radius: 3px !important; border-top-right-radius: 3px !important; border-bottom-right-radius: 3px !important; border-bottom-left-radius: 3px !important; display: block; overflow-x: auto; color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;"><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">typedef</span> <span class="hljs-class"><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">struct</span> _<span class="hljs-title" style="color: rgb(163, 21, 21);">zval_struct</span> </span>{
zvalue_value value;
zend_uint refcount;
zend_uchar type;
zend_uchar is_ref;
} zval;</code>
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
<code class="hljs xml" style="font-family: 'Courier New', sans-serif !important; line-height: 1.5 !important; font-size: 12px !important; background-color: rgb(245, 245, 245) !important; border: 1px solid rgb(204, 204, 204) !important; padding: 5px !important; border-top-left-radius: 3px !important; border-top-right-radius: 3px !important; border-bottom-right-radius: 3px !important; border-bottom-left-radius: 3px !important; display: block; overflow-x: auto; color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;"><span class="php"><span class="hljs-preprocessor" style="color: rgb(43, 145, 175);"><?php </span>
<span class="hljs-variable">$a</span> = <span class="hljs-string" style="color: rgb(163, 21, 21);">'Hello World'</span>;
<span class="hljs-variable">$b</span> = <span class="hljs-variable">$a</span>;
<span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">unset</span>(<span class="hljs-variable">$a</span>);
<span class="hljs-preprocessor" style="color: rgb(43, 145, 175);">?></span></span></span></code>
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<code class="hljs clojure" style="font-family: 'Courier New', sans-serif !important; line-height: 1.5 !important; font-size: 12px !important; background-color: rgb(245, 245, 245) !important; border: 1px solid rgb(204, 204, 204) !important; padding: 5px !important; border-top-left-radius: 3px !important; border-top-right-radius: 3px !important; border-bottom-right-radius: 3px !important; border-bottom-left-radius: 3px !important; display: block; overflow-x: auto; color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;"> <span class="hljs-collection">{ zval *helloval; MAKE_STD_ZVAL<span class="hljs-list">(<span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">helloval</span>)</span><span class="hljs-comment" style="color: green;">;</span> ZVAL_STRING<span class="hljs-list">(<span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">helloval</span>, <span class="hljs-string" style="color: rgb(163, 21, 21);">"Hello World"</span>, <span class="hljs-number">1</span>)</span><span class="hljs-comment" style="color: green;">;</span> zend_hash_add<span class="hljs-list">(<span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">EG</span><span class="hljs-list">(<span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">active_symbol_table</span>)</span>, <span class="hljs-string" style="color: rgb(163, 21, 21);">"a"</span>, sizeof<span class="hljs-list">(<span class="hljs-string" style="color: rgb(163, 21, 21);">"a"</span>)</span>, &helloval, sizeof<span class="hljs-list">(<span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">zval*</span>)</span>, NULL)</span><span class="hljs-comment" style="color: green;">;</span> ZVAL_ADDREF<span class="hljs-list">(<span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">helloval</span>)</span><span class="hljs-comment" style="color: green;">;</span> zend_hash_add<span class="hljs-list">(<span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">EG</span><span class="hljs-list">(<span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">active_symbol_table</span>)</span>, <span class="hljs-string" style="color: rgb(163, 21, 21);">"b"</span>, sizeof<span class="hljs-list">(<span class="hljs-string" style="color: rgb(163, 21, 21);">"b"</span>)</span>, &helloval, sizeof<span class="hljs-list">(<span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">zval*</span>)</span>, NULL)</span><span class="hljs-comment" style="color: green;">;</span> }</span></code>
- 对
-
unset($a);这句代码执行后，内核会将a对应的zval结构体中的refcount计数减一， b还和原来一样
写时复制
<code class="hljs xml" style="font-family: 'Courier New', sans-serif !important; line-height: 1.5 !important; font-size: 12px !important; background-color: rgb(245, 245, 245) !important; border: 1px solid rgb(204, 204, 204) !important; padding: 5px !important; border-top-left-radius: 3px !important; border-top-right-radius: 3px !important; border-bottom-right-radius: 3px !important; border-bottom-left-radius: 3px !important; display: block; overflow-x: auto; color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;"><span class="php"><span class="hljs-preprocessor" style="color: rgb(43, 145, 175);"><?php </span>
<span class="hljs-variable">$a</span> = <span class="hljs-number">1</span>;
<span class="hljs-variable">$b</span> = <span class="hljs-variable">$a</span>;
<span class="hljs-variable">$b</span> += <span class="hljs-number">5</span>;
<span class="hljs-preprocessor" style="color: rgb(43, 145, 175);">?></span></span></span></code>
上面这段代码执行完之后，一般肯定希望$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：<code class="hljs lasso" style="font-family: 'Courier New', sans-serif !important; line-height: 1.5 !important; font-size: 12px !important; background-color: rgb(245, 245, 245) !important; border: 1px solid rgb(204, 204, 204) !important; padding: 5px !important; border-top-left-radius: 3px !important; border-top-right-radius: 3px !important; border-bottom-right-radius: 3px !important; border-bottom-left-radius: 3px !important; display: block; overflow-x: auto; color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;"> zval <span class="hljs-subst">*</span>get_var_and_separate(char <span class="hljs-subst">*</span>varname, int varname_len TSRMLS_DC) { zval <span class="hljs-subst">**</span>varval, <span class="hljs-subst">*</span>varcopy; <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">if</span> (zend_hash_find(EG(active_symbol_table), varname, varname_len <span class="hljs-subst">+</span> <span class="hljs-number">1</span>, (<span class="hljs-literal">void</span><span class="hljs-subst">**</span>)<span class="hljs-subst">&</span>varval) <span class="hljs-subst">==</span> FAILURE) { <span class="hljs-comment" style="color: green;">/* Variable doesn't actually exist fail out */</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">return</span> <span class="hljs-built_in" style="color: rgb(0, 0, 255);">NULL</span>; } <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">if</span> ((<span class="hljs-subst">*</span>varval)<span class="hljs-subst">-></span>is_ref <span class="hljs-subst">||</span> (<span class="hljs-subst">*</span>varval)<span class="hljs-subst">-></span>refcount <span class="hljs-subst"> <span class="hljs-number">2</span>) { <span class="hljs-comment" style="color: green;">/* varname is the only actual reference, * or it's a full reference to other variables * either way: no separating to be done */</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">return</span> <span class="hljs-subst">*</span>varval; } <span class="hljs-comment" style="color: green;">/* Otherwise, make a copy of the zval* value */</span> MAKE_STD_ZVAL(varcopy); varcopy <span class="hljs-subst">=</span> <span class="hljs-subst">*</span>varval; <span class="hljs-comment" style="color: green;">/* Duplicate any allocated structures within the zval* */</span> zval_copy_ctor(varcopy); <span class="hljs-comment" style="color: green;">/* Remove the old version of varname * This will decrease the refcount of varval in the process */</span> zend_hash_del(EG(active_symbol_table), varname, varname_len <span class="hljs-subst">+</span> <span class="hljs-number">1</span>); <span class="hljs-comment" style="color: green;">/* Initialize the reference count of the * newly created value and attach it to * the varname variable */</span> varcopy<span class="hljs-subst">-></span>refcount <span class="hljs-subst">=</span> <span class="hljs-number">1</span>; varcopy<span class="hljs-subst">-></span>is_ref <span class="hljs-subst">=</span> <span class="hljs-number">0</span>; zend_hash_add(EG(active_symbol_table), varname, varname_len <span class="hljs-subst">+</span> <span class="hljs-number">1</span>, <span class="hljs-subst">&</span>varcopy, sizeof(zval<span class="hljs-subst">*</span>), <span class="hljs-built_in" style="color: rgb(0, 0, 255);">NULL</span>); <span class="hljs-comment" style="color: green;">/* Return the new zval* */</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 255);">return</span> varcopy; }</span></code>
- 其实Zend内核在改变zval之前都会去进行
写时改变
<code class="hljs xml" style="font-family: 'Courier New', sans-serif !important; line-height: 1.5 !important; font-size: 12px !important; background-color: rgb(245, 245, 245) !important; border: 1px solid rgb(204, 204, 204) !important; padding: 5px !important; border-top-left-radius: 3px !important; border-top-right-radius: 3px !important; border-bottom-right-radius: 3px !important; border-bottom-left-radius: 3px !important; display: block; overflow-x: auto; color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;"><span class="php"><span class="hljs-preprocessor" style="color: rgb(43, 145, 175);"><?php </span>
<span class="hljs-variable">$a</span> = <span class="hljs-number">1</span>;
<span class="hljs-variable">$b</span> = &<span class="hljs-variable">$a</span>;
<span class="hljs-variable">$b</span> += <span class="hljs-number">5</span>;
<span class="hljs-preprocessor" style="color: rgb(43, 145, 175);">?></span></span></span></code>
上面这段代码执行完之后一般希望是：$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。
- 内核看到
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？
<code class="hljs xml" style="font-family: 'Courier New', sans-serif !important; line-height: 1.5 !important; font-size: 12px !important; background-color: rgb(245, 245, 245) !important; border: 1px solid rgb(204, 204, 204) !important; padding: 5px !important; border-top-left-radius: 3px !important; border-top-right-radius: 3px !important; border-bottom-right-radius: 3px !important; border-bottom-left-radius: 3px !important; display: block; overflow-x: auto; color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;"><span class="php"><span class="hljs-preprocessor" style="color: rgb(43, 145, 175);"><?php </span>
<span class="hljs-variable">$a</span> = <span class="hljs-number">1</span>;
<span class="hljs-variable">$b</span> = <span class="hljs-variable">$a</span>;
<span class="hljs-variable">$c</span> = &<span class="hljs-variable">$a</span>;
<span class="hljs-preprocessor" style="color: rgb(43, 145, 175);">?></span></span></span></code>
如果出现上面这种情况的时候，如果$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
<code class="hljs xml" style="font-family: 'Courier New', sans-serif !important; line-height: 1.5 !important; font-size: 12px !important; background-color: rgb(245, 245, 245) !important; border: 1px solid rgb(204, 204, 204) !important; padding: 5px !important; border-top-left-radius: 3px !important; border-top-right-radius: 3px !important; border-bottom-right-radius: 3px !important; border-bottom-left-radius: 3px !important; display: block; overflow-x: auto; color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;"><span class="php"><span class="hljs-preprocessor" style="color: rgb(43, 145, 175);"><?php </span>
<span class="hljs-variable">$a</span> = <span class="hljs-number">1</span>;
<span class="hljs-variable">$b</span> = &<span class="hljs-variable">$a</span>;
<span class="hljs-variable">$c</span> = <span class="hljs-variable">$a</span>;
<span class="hljs-preprocessor" style="color: rgb(43, 145, 175);">?></span></span></span></code>
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
参考文献
1.《Extending and Embedding PHP》- Chaper 3 - Memory Management.
성명
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