PHP内核--探究内存管理与缓存机制的图文详解

前言：

PHP在运行时所需的内存，是一次性向操作系统申请开辟的，而不是分多次。那他是怎么样一次性申请呢，机制又是如何？请看下边介绍。

heap层是PHP内存管理的核心实现，PHP底层对内存的管理， ZendMM向系统进行的内存申请，并不是有需要时向系统即时申请， 而是由ZendMM的最底层（heap层）先向系统申请一大块的内存， 建立一个类似于内存池的管理机制，unset后，ZendMM并不会直接立刻将内存交回给系统，而是只在自身维护的内存池(storge层)中将其重新标识为可用，。

优点：

1.预定义常量变量多，对内存的请求有数百次，避免了PHP向系统频繁的内存申请操作，减少了对OS的请求次数。

2.运行速度会更快，缺点是随着程序的运行时间的变长，内存使用越来越多，所以5.3引入新垃圾回收机制。

详细分析如下：

PHP的内存管理可以被看作是分层（hierarchical）的。 它分为三层：存储层（storage）、堆层（heap）和接口层（emalloc/efree）。 存储层通过 malloc()、mmap() 等函数向系统真正的申请内存，并通过 free() 函数释放所申请的内存。 

存储层通常申请的内存块都比较大，这里申请的内存大并不是指storage层结构所需要的内存大， 只是堆层通过调用存储层的分配方法时，其以大块大块的方式申请的内存，存储层的作用是将内存分配的方式对堆层透明化。

如图下所示，PHP内存管理器。PHP在存储层共有4种内存分配方案: malloc，win32，mmap_anon，mmap_zero， 默认使用malloc分配内存，如果设置了ZEND_WIN32宏，则为windows版本，调用HeapAlloc分配内存， 剩下两种内存方案为匿名内存映射，并且PHP的内存方案可以通过设置环境变量来修改。

图6.1 PHP内存管理器

一.内存的申请

heap层是PHP内存管理的核心实现，PHP底层对内存的管理， 围绕着小块内存列表（free_buckets）、 大块内存列表（large_free_buckets）和 剩余内存列表（rest_buckets）三个列表来分层进行的。ZendMM向系统进行的内存申请，并不是有需要时向系统即时申请， 而是由ZendMM的最底层（heap层）先向系统申请一大块的内存，通过对上面三种列表的填充， 建立一个类似于内存池的管理机制。

在程序运行需要使用内存的时候，ZendMM会在内存池中分配相应的内存供使用。这样做的好处是避免了PHP向系统频繁的内存申请操作，如下面的代码：

<?php
  $tipi = "o_o\n";
  echo $tipi;
?>

这是一个简单的php程序，但通过对emalloc的调用计数，只是PHP程序，只赋值了一个变量而已，但是却发现对内存的请求有数百次之多， 当然这非常容易解释，因为PHP脚本的执行，需要大量的环境变量以及内部变量的定义(详细见PHP内核--生命周期)， 这些定义本身都是需要在内存中进行存储的。

在编写PHP的扩展时，推荐使用emalloc(申请的是zend_mm_storage层的内存块)来代替malloc(申请的是操作系统的内存块)，其实也就是使用PHP的ZendMM来代替 手动直接调用系统级的内存管理。

ZendMM使用_zend_mm_alloc_int函数进行内存分配，流程如下:

从上面的分配可以看出，PHP对内存的分配，是结合PHP的用途来设计的，PHP一般用于web应用程序的数据支持， 单个脚本的运行周期一般比较短（最多达到秒级），内存大块整块的申请，自主进行小块的分配， 没有进行比较复杂的不相临地址的空闲内存合并，而是集中再次向系统请求。 这样做的好处就是运行速度会更快，缺点是随着程序的运行时间的变长， 内存的使用情况会“越来越多”（PHP5.2及更早版本）。 所以PHP5.3之前的版本并不适合做为守护进程长期运行。 （当然，可以有其他方法解决，而且在PHP5.3中引入了新的GC机制，详见后边小节PHP内核--内存泄漏与新垃圾回收机制）

二.内存的销毁

ZendMM在内存销毁的处理上采用与内存申请相同的策略，当程序unset一个变量或者是其他的释放行为时，ZendMM并不会直接立刻将内存交回给系统，而是只在自身维护的内存池(storge层)中将其重新标识为可用， 按照内存的大小整理到上面所说的三种列表（small,large,free）之中，以备下次内存申请时使用。

内存销毁的最终实现函数是_efree。在_efree中，内存的销毁首先要进行是否放回cache的判断。 如果内存的大小满足ZEND_MM_SMALL_SIZE并且cache还没有超过系统设置的ZEND_MM_CACHE_SIZE， 那么，当前内存块zend_mm_block就会被放回mm_heap->cache中。 

在内存的销毁过程中，还涉及到引用计数和垃圾回收（GC），将在后边小节进行讨论。参见PHP内核--内存泄漏与新垃圾回收机制

三.缓存

在维基百科中有这样一段描述： 凡是位于速度相差较大的两种硬件之间的，用于协调两者数据传输速度差异的结构，均可称之为Cache。 从最初始的处理器与内存间的Cache开始，都是为了让数据访问的速度适应CPU的处理速度， 其基于的原理是内存中“程序执行与数据访问的局域性行为”。 同样PHP内存管理中的缓存也是基于“程序执行与数据访问的局域性行为”的原理。 引入缓存，就是为了减少小块内存块的查询次数(查询前先看是否能命中缓存)，为最近访问的数据提供更快的访问方式。

PHP将缓存添加到内存管理机制中做了如下一些操作：

·标识缓存和缓存的大小限制，即何时使用缓存，在某些情况下可以以最少的修改禁用掉缓存

·缓存的存储结构，即缓存的存放位置、结构和存放的逻辑

·初始化缓存

·获取缓存中内容

·写入缓存

释放缓存或者清空缓存列表

缓存本身也是存储在storage层申请的内存中的，如果内存都不够用了，那就得释放缓存啦。

当堆的内存溢出时，程序会调用zend_mm_free_cache释放缓存中。整个释放的过程是一个遍历数组， 对于每个数组的元素程序都遍历其所在链表中在自己之前的元素，执行合并内存操作，减少堆结构中缓存计量数字。 

以上是PHP内核--探究内存管理与缓存机制的图文详解的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！