PHP7 垃圾回收機制（GC）解析

垃圾回收機制

#垃圾回收機制是一種動態儲存分配方案。它會自動釋放程式不再需要的已分配的記憶體區塊。自動回收記憶體的過程叫垃圾收集。垃圾回收機制可以讓程式設計師不必過度關心程式記憶體分配，從而將更多的精力投入業務邏輯。在現在的流行各種語言當中，垃圾回收機制是新一代語言所共有的特徵。

垃圾的產生

PHP7 中複雜類型，像字串、陣列、物件等的資料結構中，頭部都有一個gc, 這個gc 的作用就是用來對垃圾回收的支援。當變數賦值、傳遞時，會增加 value 的引用數， unset、return 等釋放變數時再減掉引用數，減掉後如果發現 refcount 變為 0 則直接釋放 value，這是變數的基本回收過程。

不過有一種問題是這個機制無法解決的，就是循環引用的問題。

什麼是循環引用呢？簡單說就是變數的內部裡存的 value 又引用了變數本身。這種比較經常發生在陣列和物件類型的變數上。

這裡先講一下引用，即zend_reference 這個類型，這個是PHP7 新增的變數類型，當變數使用「&」 操作時，會建立新的中間結構zend_reference，這個結構體會真正的指向對應的value 結構。

舉例：

// 当进行如下赋值操作时
$a = 'hello'; // $a -> zend_string
$b = $a; // $b,$a -> zend_string
$c = &$b; // $c,$b -> zval(type = IS_REFERENCE, refcount = 2) -> zend_string

最終會變成如下這樣：

#即$b 和$c 的zval 是透過中間結構體zend_reference 再指向最終的zend_string。

回到循環引用的問題，舉個陣列循環引用例子：

$a = [1];
$a[] = &$a;
unset($a);

使用& 運算之後，變數a 就變成了引用型別且引用計數refcount 為2，而又賦值給自己裡面的元素，也就是變數a 變成了自己引用自己。

具體如下：

當unset 之後就變成下圖這樣：

即$a 所在的zval 類型已經變成了IS_UNDEF 了，zend_reference 結構體的引用計數減1，但是仍然大於0，這時候，這部分結構體就變成了垃圾，對此不處理的話，就可能會造成記憶體外洩。這裡就需要垃圾收集器將這部分收集到緩衝區，之後再回收處理。

回收過程

如果當變數的refcount 減少後大於0，PHP 並不會立即對這個變數進行垃圾鑑定和回收，而是放入一個緩衝區中，等這個緩衝區滿了以後(10000 個值) 再統一進行處理，加入緩衝區的是變數zend_value 裡的gc，目前垃圾只會出現在數組和物件兩種類型中，數組的情況上面已經介紹了，物件的情況則是成員屬性引用物件本身導致的，其它類型不會出現這種變數中的成員引用變數本身的情況，所以垃圾回收只會處理這兩種類型的變數。

gc 的結構zend_refcounted_h 具體如下:

typedef struct _zend_refcounted_h {
    uint32_t         refcount; // 记录 zend_value 的引用数
    union {
        struct {
            zend_uchar    type,  // zend_value的类型, 与zval.u1.type一致
            zend_uchar    flags, 
            uint16_t      gc_info // GC信息，记录在 gc 池中的位置和颜色，垃圾回收的过程会用到
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u;
} zend_refcounted_h;

一個變數只能加入一次緩衝區，為了防止重複加入，變數加入後會把zend_refcounted_h.gc_info 置為GC_PURPLE，即標為紫色，後續不會重複插入。

垃圾緩衝區是一個雙向鍊錶，等到快取區滿了以後則啟動垃圾檢查過程：遍歷緩衝區，對當前變數的所有成員進行遍歷，然後把成員的refcount 減1 (如果成員還包含子成員則也進行遞歸遍歷，即深度優先遍歷)，最後再檢查當前變數的引用，如果減為了0 則為垃圾。這個演算法的原理核心是：垃圾是由於成員引用自身導致的，那麼就對所有的成員減一遍引用，如果發現最後變數本身的refcount 變為了0 則就表明其引用全部來自自身成員，即其他任何地方都不再使用它，那麼它就是垃圾，需要被回收。反之說明不是垃圾，需要將其從緩衝區移出去。具體的過程如下：

(1) 從緩衝區鍊錶的roots 開始遍歷，把當前value 標為灰色(zend_refcounted_h.gc_info 置為GC_GREY)，然後對當前value 的成員進行深度優先遍歷，把成員value 的refcount 減1，也標示為灰色；

(2) 重複遍歷緩衝區鍊錶，檢查當前value 引用是否為0，為0 則表示確實是垃圾，把它標為白色(GC_WHITE)，如果不為0 則排除了引用全部來自自身成員的可能，表示還有外部的引用，並不是垃圾，這時候因為步驟(1) 對成員進行了refcount 減1 操作，需要再還原回去，對所有成員進行深度遍歷，把成員refcount 加1，同時標為黑色；

(3) 再次遍歷緩衝區鍊錶，將非GC_WHITE 的節點從roots 鍊錶中移出，最終roots 鍊錶中全部為真正的垃圾，最後將這些垃圾清除。

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