PHP 之寫時復(fù)制介紹（Copy On Write）

2020-03-22 20:16:19

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供稿：網(wǎng)友

在開始之前，我們可以先看一段簡單的代碼：復(fù)制代碼代碼如下:
?php //例一
$foo = 1;
$bar = $foo;
echo $foo + $bar;
?
執(zhí)行這段代碼，會打印出數(shù)字2。從內(nèi)存的角度來分析一下這段代碼“可能”是這樣執(zhí)行的：分配一塊內(nèi)存給foo變量，里面存儲一個1；再分配一塊內(nèi)存給bar變量，也存一個1，最后計算出結(jié)果輸出。事實上，我們發(fā)現(xiàn)foo和bar變量因為值相同，完全可以使用同一塊內(nèi)存，這樣，內(nèi)存的使用就節(jié)省了一個1，并且，還省去了分配內(nèi)存和管理內(nèi)存地址的計算開銷。沒錯，很多涉及到內(nèi)存管理的系統(tǒng)，都實現(xiàn)了這種相同值共享內(nèi)存的策略：寫時復(fù)制很多時候，我們會因為一些術(shù)語而對其概念產(chǎn)生莫測高深的恐懼，而其實，他們的基本原理往往非常簡單。本小節(jié)將介紹PHP中寫時復(fù)制這種策略的實現(xiàn)：寫時復(fù)制（Copy on Write，也縮寫為COW)的應(yīng)用場景非常多，比如Linux中對進(jìn)程復(fù)制中內(nèi)存使用的優(yōu)化，在各種編程語言中，如C++的STL等等中均有類似的應(yīng)用。 COW是常用的優(yōu)化手段，可以歸類于：資源延遲分配。只有在真正需要使用資源時才占用資源，寫時復(fù)制通常能減少資源的占用。注：為節(jié)省篇幅，下文將統(tǒng)一使用COW來表示“寫時復(fù)制”；推遲內(nèi)存復(fù)制的優(yōu)化正如前面所說，PHP中的COW可以簡單描述為：如果通過賦值的方式賦值給變量時不會申請新內(nèi)存來存放新變量所保存的值，而是簡單的通過一個計數(shù)器來共用內(nèi)存，只有在其中的一個引用指向變量的值發(fā)生變化時才申請新空間來保存值內(nèi)容以減少對內(nèi)存的占用。在很多場景下PHP都COW進(jìn)行內(nèi)存的優(yōu)化。比如：變量的多次賦值、函數(shù)參數(shù)傳遞，并在函數(shù)體內(nèi)修改實參等。下面讓我們看一個查看內(nèi)存的例子，可以更容易看到COW在內(nèi)存使用優(yōu)化方面的明顯作用：復(fù)制代碼代碼如下:
?php //例二
$j = 1;
var_dump(memory_get_usage());

$tipi = array_fill(0, 100000, 'php-internal');
var_dump(memory_get_usage());

$tipi_copy = $tipi;
var_dump(memory_get_usage());

foreach($tipi_copy as $i){
$j += count($i);
}
var_dump(memory_get_usage());

//-----執(zhí)行結(jié)果-----
$ php t.php
int(630904)
int(10479840)
int(10479944)
int(10480040)
上面的代碼比較典型的突出了COW的作用，在數(shù)組變量$tipi被賦值給$tipi_copy時，內(nèi)存的使用并沒有立刻增加一半，在循環(huán)遍歷數(shù)$tipi_copy時也沒有發(fā)生顯著變化，在這里$tipi_copy和$tipi變量的數(shù)據(jù)共同指向同一塊內(nèi)存，而沒有復(fù)制。也就是說，即使我們不使用引用，一個變量被賦值后，只要我們不改變變量的值，也不會新申請內(nèi)存用來存放數(shù)據(jù)。據(jù)此我們很容易就可以想到一些COW可以非常有效的控制內(nèi)存使用的場景：只是使用變量進(jìn)行計算而很少對其進(jìn)行修改操作，如函數(shù)參數(shù)的傳遞，大數(shù)組的復(fù)制等等等不需要改變變量值的情形。復(fù)制分離變化的值多個相同值的變量共用同一塊內(nèi)存的確節(jié)省了內(nèi)存空間，但變量的值是會發(fā)生變化的，如果在上面的例子中，指向同一內(nèi)存的值發(fā)生了變化（或者可能發(fā)生變化），就需要將變化的值“分離”出去，這個“分離”的操作，就是“復(fù)制”。在PHP中，Zend引擎為了區(qū)別同一個zval地址是否被多個變量共享，引入了ref_count和is_ref兩個變量進(jìn)行標(biāo)識：復(fù)制代碼代碼如下:
ref_count和is_ref是定義于zval結(jié)構(gòu)體中（見第一章第一小節(jié)）
is_ref標(biāo)識是不是用戶使用 & 的強(qiáng)制引用；
ref_count是引用計數(shù)，用于標(biāo)識此zval被多少個變量引用，即COW的自動引用，為0時會被銷毀；
關(guān)于這兩個變量的更多內(nèi)容，跳轉(zhuǎn)閱讀：第三章第六節(jié)：變量的賦值和銷毀的實現(xiàn)。
注：由此可見， $a=$b; 與 $a= 在PHP對內(nèi)存的使用上沒有區(qū)別（值不變化時）；
下面我們把例二稍做變化：如果$copy的值發(fā)生了變化，會發(fā)生什么？：復(fù)制代碼代碼如下:
?php //例三
//$tipi = array_fill(0, 3, 'php-internal');
//這里不再使用array_fill來填充，為什么？
$tipi[0] = 'php-internal';
$tipi[1] = 'php-internal';
$tipi[2] = 'php-internal';
var_dump(memory_get_usage());

$copy = $tipi;
xdebug_debug_zval('tipi', 'copy');
var_dump(memory_get_usage());

$copy[0] = 'php-internal';
xdebug_debug_zval('tipi', 'copy');
var_dump(memory_get_usage());

//-----執(zhí)行結(jié)果-----
$ php t.php
int(629384)
tipi: (refcount=2, is_ref=0)=array (0 = (refcount=1, is_ref=0)='php-internal',
1 = (refcount=1, is_ref=0)='php-internal',
2 = (refcount=1, is_ref=0)='php-internal')
copy: (refcount=2, is_ref=0)=array (0 = (refcount=1, is_ref=0)='php-internal',
1 = (refcount=1, is_ref=0)='php-internal',
2 = (refcount=1, is_ref=0)='php-internal')
int(629512)
tipi: (refcount=1, is_ref=0)=array (0 = (refcount=1, is_ref=0)='php-internal',
1 = (refcount=2, is_ref=0)='php-internal',
2 = (refcount=2, is_ref=0)='php-internal')
copy: (refcount=1, is_ref=0)=array (0 = (refcount=1, is_ref=0)='php-internal',
1 = (refcount=2, is_ref=0)='php-internal',
2 = (refcount=2, is_ref=0)='php-internal')
int(630088)
在這個例子中，我們可以發(fā)現(xiàn)以下特點：$copy = $tipi；這種基本的賦值操作會觸發(fā)COW的內(nèi)存“共享”，不會產(chǎn)生內(nèi)存復(fù)制；COW的粒度為zval結(jié)構(gòu)，由PHP中變量全部基于zval，所以COW的作用范圍是全部的變量，而對于zval結(jié)構(gòu)體組成的集合（如數(shù)組和對象等），在需要復(fù)制內(nèi)存時，將復(fù)雜對象分解為最小粒度來處理。這樣可以使內(nèi)存中復(fù)雜對象中某一部分做修改時，不必將該對象的所有元素全部“分離復(fù)制”出一份內(nèi)存拷貝；復(fù)制代碼代碼如下:
array_fill()填充數(shù)組時也采用了COW的策略，可能會影響對本例的演示，感興趣的讀者可以閱讀：$PHP_SRC/ext/standard/array.c中PHP_FUNCTION(array_fill)的實現(xiàn)。

xdebug_debug_zval()是xdebug擴(kuò)展中的一個函數(shù)，用于輸出變量在zend內(nèi)部的引用信息。如果你沒有安裝xdebug擴(kuò)展，也可以使用debug_zval_dump()來代替。參考：http://www.php.net/manual/zh/function.debug-zval-dump.php
實現(xiàn)寫時復(fù)制看完上面的三個例子，相信大家也可以了解到PHP中COW的實現(xiàn)原理： PHP中的COW基于引用計數(shù)ref_count和is_ref實現(xiàn)，多一個變量指針，就將ref_count加1，反之減去1，減到0就銷毀；同理，多一個強(qiáng)制引用&,就將is_ref加1，反之減去1。這里有一個比較典型的例子：復(fù)制代碼代碼如下:
?php //例四
$foo = 1;
xdebug_debug_zval('foo');
$bar = $foo;
xdebug_debug_zval('foo');
$bar = 2;
xdebug_debug_zval('foo');
?
//-----執(zhí)行結(jié)果-----
foo: (refcount=1, is_ref=0)=1
foo: (refcount=2, is_ref=0)=1
foo: (refcount=1, is_ref=0)=1
經(jīng)過前面對變量章節(jié)的介紹，我們知道當(dāng)$foo被賦值時，$foo變量的值的只由$foo變量指向。當(dāng)$foo的值被賦給$bar時，PHP并沒有將內(nèi)存復(fù)制一份交給$bar，而是把$foo和$bar指向同一個地址。同時引用計數(shù)增加1，也就是新的2。隨后，我們更改了$bar的值，這時如果直接需該$bar變量指向的內(nèi)存，則$foo的值也會跟著改變。這不是我們想要的結(jié)果。于是，PHP內(nèi)核將內(nèi)存復(fù)制出來一份，并將其值更新為賦值的：2（這個操作也稱為變量分離操作），同時原$foo變量指向的內(nèi)存只有$foo指向，所以引用計數(shù)更新為：refcount=1。看上去很簡單，但由于&運(yùn)算符的存在，實際的情形要復(fù)雜的多。見下面的例子：

圖6.6 &操作符引起的內(nèi)存復(fù)制分離從這個例子可以看出PHP對&運(yùn)算符的一個容易出問題的處理：當(dāng) $beauty= 時，兩個變量本質(zhì)上都變成了引用類型，導(dǎo)致看上去的普通變量$pan, 在某些內(nèi)部處理中與&$pan行為相同，尤其是在數(shù)組元素中使用引用變量，很容易引發(fā)問題。（見最后的例子） PHP的大多數(shù)工作都是進(jìn)行文本處理，而變量是載體，不同類型的變量的使用貫穿著PHP的生命周期，變量的COW策略也就體現(xiàn)了Zend引擎對變量及其內(nèi)存處理，具體可以參閱源碼文件相關(guān)的內(nèi)容：復(fù)制代碼代碼如下:
Zend/zend_execute.c
========================================
zend_assign_to_variable_reference();
zend_assign_to_variable();
zend_assign_to_object();
zend_assign_to_variable();

//以及下列宏定義的使用
Zend/zend.h
========================================
#define Z_REFCOUNT(z) Z_REFCOUNT_P(&(z))
#define Z_SET_REFCOUNT(z, rc) Z_SET_REFCOUNT_P(&(z), rc)
#define Z_ADDREF(z) Z_ADDREF_P(&(z))
#define Z_DELREF(z) Z_DELREF_P(&(z))
#define Z_ISREF(z) Z_ISREF_P(&(z))
#define Z_SET_ISREF(z) Z_SET_ISREF_P(&(z))
#define Z_UNSET_ISREF(z) Z_UNSET_ISREF_P(&(z))
#define Z_SET_ISREF_TO(z, isref) Z_SET_ISREF_TO_P(&(z), isref)
最后，請慎用引用& 引用和前面提到的變量的引用計數(shù)和PHP中的引用并不是同一個東西，引用和C語言中的指針的類似，他們都可以通過不同的標(biāo)示訪問到同樣的內(nèi)容，但是PHP的引用則只是簡單的變量別名，沒有C指令的靈活性和限制。 PHP中有非常多讓人覺得意外的行為，有些因為歷史原因，不能破壞兼容性而選擇暫時不修復(fù)，或者有的使用場景比較少。在PHP中只能盡量的避開這些陷阱。例如下面這個例子。由于引用操作符會導(dǎo)致PHP的COW策略優(yōu)化，所以使用引用也需要對引用的行為有明確的認(rèn)識才不至于誤用，避免帶來一些比較難以理解的的Bug。如果您認(rèn)為您已經(jīng)足夠了解了PHP中的引用，可以嘗試解釋下面這個例子：復(fù)制代碼代碼如下:
?php
$foo['love'] = 1;
$bar = &$foo['love'];
$tipi = $foo;
$tipi['love'] = '2';
echo $foo['love'];
這個例子最后會輸出 2 ，大家會非常驚訝于$tipi怎么會影響到$foo, $bar變量的引用操作，將$foo['love']污染變成了引用，從而Zend沒有對$tipi['love']的修改產(chǎn)生內(nèi)存的復(fù)制分離。PHP教程

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