PHP是如何儲存變數的？ zval結構體你了解嗎？

PHP 原始碼中的zval

在PHP 中定義一個變數是不需要宣告類型的，一開始給變數$a 一個整數值，後面又可以輕易地將其改變為其他類型。那在 PHP 的源碼中是如何來儲存這個變數 $a 的呢？帶著這個疑問我們一起去看 PHP 的原始碼。

PHP 的原始碼是由 C 編寫的，在 PHP 的原始碼中使用了一個 zval 的結構體來儲存在 PHP 程式碼中建立的變數。我們把 zval 結構體的定義拿出來簡單分析一下。

這是 PHP 在 Github 上的官方倉庫：github.com/php/php-src，本文使用的分支是 PHP-7.4.29。

zval 結構體

在PHP 的原始碼中找到這個檔案：php-src/Zend/zend_types.h，可以看到其中zval 結構體的定義如下，左側是原始碼。原始碼中使用了 PHP 自己定義的型別 zend_uchar 、uint16_t 、uint32_t 等，這些型別會針對不同平台和編譯器會轉為該平台下的 char short int 等。為了便於理解，我將其翻譯為普通類型並展示在了原始碼的右側。同時也把其中的巨集函數 ZEND_ENDIAN_LOHI_3() 也展開了。

typedef struct _zval_struct zval;
...
       《源代码》                                               《翻译后》
-------------------------------------------------------------------------------------------
struct _zval_struct {                               | struct _zval_struct {
    zend_value value;                               |     zend_value value;
    union {                                         |     union {
        struct {                                    |         struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_3(                     |             unsigned char type;
                zend_uchar type,                    |             unsigned char type_flags;
                zend_uchar type_flags,              |             union {
                union {                             |                 unsigned short extra;
                    uint16_t extra;                 |             } u;
                } u                                 |         } v;
            )                                       |         unsigned int type_info;
        } v;                                        |     } u1;
        uint32_t type_info;                         |     union {
    } u1;                                           |         unsigned int next;
    union {                                         |         unsigned int cache_slot;
        uint32_t next;                              |         unsigned int opline_num;
        uint32_t cache_slot;                        |         unsigned int lineno;
        uint32_t opline_num;                        |         unsigned int num_args;
        uint32_t lineno;                            |         unsigned int fe_pos;
        uint32_t num_args;                          |         unsigned int fe_iter_idx;
        uint32_t fe_pos;                            |         unsigned int access_flags;
        uint32_t fe_iter_idx;                       |         unsigned int property_guard;
        uint32_t access_flags;                      |         unsigned int constant_flags;
        uint32_t property_guard;                    |         unsigned int extra;
        uint32_t constant_flags;                    |     } u2;
        uint32_t extra;                             | };
    } u2;                                           |
};                                                  |

在 zval 結構體中，變數的值就儲存在 zend_value 類型的 value 屬性中。並且透過 u1.v.type 來記錄這個值是什麼類型的，例如 IS_LONG 對應整數，IS_STRING 對應字串類型。

zend_value 聯合體

zend_value 類型也是在php-src/Zend/zend_types.h 中定義的，是一個聯合體，下面是zend_value 聯合體的定義，左側是原始碼。同樣在右側我也做了簡單的翻譯，把 zend_long uint32_t 翻譯為普通型別方便查看。

            《源代码》                                              《翻译后》
------------------------------------------------------------------------------------
typedef union _zend_value {                         | typedef union _zend_value {
    zend_long         lval; /* long value */        |     long              lval;
    double            dval; /* double value */      |     double            dval;
    zend_refcounted  *counted;                      |     zend_refcounted  *counted;
    zend_string      *str;                          |     zend_string      *str;
    zend_array       *arr;                          |     zend_array       *arr;
    zend_object      *obj;                          |     zend_object      *obj;
    zend_resource    *res;                          |     zend_resource    *res;
    zend_reference   *ref;                          |     zend_reference   *ref;
    zend_ast_ref     *ast;                          |     zend_ast_ref     *ast;
    zval             *zv;                           |     zval             *zv;
    void             *ptr;                          |     void             *ptr;
    zend_class_entry *ce;                           |     zend_class_entry *ce;
    zend_function    *func;                         |     zend_function    *func;
    struct {                                        |     struct {
        uint32_t w1;                                |         unsigned int w1;
        uint32_t w2;                                |         unsigned int w2;
    } ww;                                           |     } ww;
} zend_value;                                       | } zend_value;

聯合體的一個特點是其佔用的記憶體是其屬性中最大類型對應的長度。其中的 zend_long 就是 long 類型，可以看到 long 類型的 lval 和 double 類型的 dval 所佔用的長度都是 8 個位元組。裡面其他指標類型，也都是 8 個位元組。最後面的結構體屬性 ww 是由兩個 int 型構成，長度相加也是 8 個位元組。因此此聯合體的長度為 8 個位元組。

在我們寫的 PHP 程式碼中，整數和浮點型資料的值會直接存放到 lval 和 dval 中。如果是字串、陣列以及其他類型時會開闢一段空間儲存數據，並將其位址存放在zend_value 中，也就是zval.value 屬性，如：zval.value.zend_long = 9527、zval.value.zend_string = 字元字串位址、zval.value.zend_array = 陣列位址。然後在 zval.u1.v.type 上標記這個 zval.value 是整數、或浮點型、或字串、或其他型別。

zval.u1.v.type 類型定義也是在php-src/Zend/zend_types.h 檔案中，全部的定義如下：

/* regular data types */
#define IS_UNDEF        0
#define IS_NULL         1
#define IS_FALSE        2
#define IS_TRUE         3
#define IS_LONG         4
#define IS_DOUBLE       5
#define IS_STRING       6
#define IS_ARRAY        7
#define IS_OBJECT       8
#define IS_RESOURCE     9
#define IS_REFERENCE    10
/* constant expressions */
#define IS_CONSTANT_AST 11
/* internal types */
#define IS_INDIRECT     13
#define IS_PTR          14
#define IS_ALIAS_PTR    15
#define _IS_ERROR       15
/* fake types used only for type hinting (Z_TYPE(zv) can not use them) */
#define _IS_BOOL        16
#define IS_CALLABLE     17
#define IS_ITERABLE     18
#define IS_VOID         19
#define _IS_NUMBER      20

zval 結構體記憶體佔用

接下來我們分析一下zval 所需佔用的記憶體。

• value：zend_value 類型 8 個位元組。

• u1：

• u1.v.type：unsigned char 1 個位元組，u1.v.type_flags ：unsigned char 1 個位元組，u1.v.u：聯合體中只有一個unsigned short 的extra 屬性2 個位元組，因此u1.v 的結構體總共是4 個位元組。

• u1.type_info：unsigned int 4 個位元組。

• 因此 u1 這個聯合體的長度取最長的屬性的長度：4 個位元組。

• u2：也是一個聯合體，裡面都是 int 型的屬性，因此長度是 4 個位元組。

• 所以 zval 總共佔用的記憶體是 8 4 4 = 16 個位元組。

也就是說當我們在寫PHP 程式碼時，如果創建了一個整數的變量，那麼實際上它在運行中會佔用16 個位元組的內存，內存開銷至少是C 語言的兩倍。當然這兩倍的開銷也帶來了 PHP 處理變數的彈性。

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