深入PHP使用技巧之变量

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众所周知,PHP与其他脚本语言一样,属于弱变量类型的语言。同时PHP本身也是通过C语言来实现。本文主要介绍PHP内部是如何实现弱变量类型的,并且据此分析在PHP开发中需要注意的一些使用技术。其中会重点分析PHP中的copy on write机制和引用相关方面的话题。 本章节属于《深入PHP使用技巧》的第一部分。

如何实现弱变量

在了解PHP实现弱变量类型之前,可以先思考下:如何通过C/C++来实现弱变量类型的效果呢?

这个问题我在BIT培训课上基本上有两种答案:

方法1:采用C++的继承机制。首先定义一个基础类型

1
Class Var

2
{

3
}

然后基于Var,派生出不同的子类型IntVar/FloatVar/StringVar等等。
方法2:基于C语言的 Struct。其中一个字段用于标识类型,另外一个字段用于存储数据,由于数据要是各种类型,所以通常需要采用指针

比如:

1
struct var {

2
Int type;

3
Void *data;

4
};

两种思路本身并没有太大区别,也都基本上能够满足需求。在PHP中采用了第二种思路,并且做了比较多的优化。在PHP中,所有的变量都会对应同一种类型zval,其中zval也就是struct _zval_struct,具体定义如下:

01
typedef union _zvalue_value {

02
long lval;                  /* long value */

03
double dval;                /* double value */

04
struct {

05
char *val;

06
int len;

07
} str;

08
HashTable *ht;              /* hash table value */

09
zend_object_value obj;

10
} zvalue_value;

11
struct _zval_struct {

12
/* Variable information */

13
zvalue_value value;     /* value */

14
zend_uint refcount;

15
zend_uchar type;    /* active type */

16
zend_uchar is_ref;

17
};

从zval可以看出,PHP在细节方面的确做了不少优化的功夫。

1.zend_uchar type。采用uchar节省内存。
2.zvalue_value value; 采用union来替换void *,这样同样能节省空间,并且比void *更能表义清晰。
3.在字符串类型中,默认保留了字符串的长度。这样很容易做到字符串的二进制安全,并且在计算字符串长度的时候不需要进行扫描。
观察PHP弱变量的实现,也会有以下疑惑:

1.为什么会没有int类型呢?其实在PHP中是有的,只是说默认int数据就保存在long中。
2.资源类型咋表现的呢?资源在PHP内部其实就是一数字。详细后续会介绍。
3.refcount和is_ref是干嘛的呢?呵呵,这就是第二部分要介绍的了。

Reference counting & Copy-on-Write

PHP和其他语言类似,在其语法中有两种赋值方式:引用赋值和非引用赋值(普通的==赋值)。

1
<?php

2
$a = 1;

3
$b = $a;//非引用赋值

4
$c = &$a;//引用赋值

5
?>

引用赋值和非引用赋值在PHP内部是如何实现的呢?一种通常的认识是:“引用赋值就是两个变量对应同一个Zval,非引用赋值则是直接产生一个新的zval,同时把对应的值直接copy过来。”也就是该代码的内存结构如下:

(该图是大多数人认为的PHP内存结构,是错误的)

这样的确能够满足大部分情况下的需求,但显然不是最佳的解决方案,尤其是在内存管理上,比如说以下代码就会显得非常的低效。

1
<?php

2
$arr = array(...);//定义一个非常大的PHP数组

3
myfunc($arr);//每一个函数调用都是一次隐性的非引用赋值

4
myfunc($arr);

5
?>

因为每次函数调用会进行一次内存dump,而大内存的内存dump是非常耗CPU的。在C语言中,一种解决方案是采用指针,所有函数调用尽量传递指针。的确很灵活高效,但也很难维护~指针可以说是C语言程序员心头的痛(当然也是福~^_^)。还有一种更高级更有效的方法是采用引用计数(Reference counting)。

在PHP中,也可以采用引用来解决这样的问题,但你见过采用在PHP中大量使用引用的吗?显然很少。

在PHP内核中,Zval的实现正是采用了引用计数的概念,说起引用计数就不得不谈到copy-on-write 机制。这样前面谈到的refcount和is_ref就有作用了。

  • refcount:引用次数。在zval初始创建的时候就为1。每增加一个引用,则refcount ++。
  • is_ref:用于表示一个zval是否是引用状态。zval初始化的情况下会是0,表示不是引用。

在Zend/Zend.h内部有一些关于ZVAL的宏定义,里面比较清晰的解析了引用计数的一些规则,其中重点关注以下几个宏定义

01
#define INIT_PZVAL(z)       \

02
(z)->refcount = 1;       \

03
(z)->is_ref = 0;

04
#define SEPARATE_ZVAL_IF_NOT_REF(ppzv)      \//非引用下的变量分离

05
if (!PZVAL_IS_REF(*ppzv)) {             \

06
SEPARATE_ZVAL(ppzv);                \

07
}

08
#define SEPARATE_ZVAL_TO_MAKE_IS_REF(ppzv)  \//非引用下的变量分离,并且设置引用

09
if (!PZVAL_IS_REF(*ppzv)) {             \

10
SEPARATE_ZVAL(ppzv);                \

11
(*(ppzv))->is_ref = 1;               \

12
}

13
#define SEPARATE_ARG_IF_REF(varptr) \     //引用下的变量分离

14
if (PZVAL_IS_REF(varptr)) { \

15
zval *original_var = varptr; \

16
ALLOC_ZVAL(varptr); \

17
varptr->value = original_var->value; \

18
varptr->type = original_var->type; \

19
varptr->is_ref = 0; \

20
varptr->refcount = 1; \

21
zval_copy_ctor(varptr); \

22
} else { \

23
varptr->refcount++; \

24
}

这里面谈到两个重要的概念:

1、非引用下的变量分离。
非引用下的变量分离,是指在一堆非引用变量中插入引用的情况下,在PHP内部进行的一种内存操作。以下面的列子来看:

1
$a = 1;

2
$b = $a;

3
$c = &$b;

在前两句执行之后,内存结构如下图

在第三句 $c = &$b;语句中则会执行“非引用下的变量分离。”,具体步骤是:

将b分离出来,同时把a对应的zval的refcount-1。
copy 出一个新的zval,并把zval的is_ref设置成1.
把C指向这个新的zval,同时refcount ++
最终效果如下图:

2、引用下的变量分离。

引用下的变量分离,是指在一堆引用变量中进行一个非引用赋值操作,这个时候会直接执行copy内存的操作。

以下面的例子来说

1
$a = 1;

2
$b = &$a;

3
$c = $b;

在执行完前两行后,PHP中内存结构如下:

在第三句,则会执行“引用下的变量分离”也就是真正的copy,最终内存结构如下图

据此,基本上对PHP变量内部的一些原理比较清楚了,但还有一些需要注意点的:
1、PHP变量的引用计数特性,对于数组同样也存在。但注意,对于key则不生效。(具体在后面章节会分析到。)
2、PHP变量中的对象比较特殊,在PHP5之后,默认都是采用引用赋值的方式。具体实现可以参考Zend_objects.*系列代码。
3、对于分析PHP内部变量,推荐采用xdebug_debug_zval,而不要采用内置的debug_zval_dump。因为PHP内置的debug_zval_dump函数一方面无法处理is_ref,而且采用了引用的方式来处理,从而导致看到结果会有误解。

使用技巧结论

据此可以得出分析出不少结论:

1、在PHP开发中不推荐采用引用。因为PHP内部对内存优化本身做了不少工作,引用不会带来太多优化。(但注意推荐非强制)

2、在PHP中strlen是o(1)的。

李萧明吐槽 只能说百度拿这么高工资还是有道理的。

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