淺談PHP源碼三十一：PHP記憶體池中的堆(heap)層基礎

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淺談PHP源碼三十一：PHP記憶體池中的堆(heap)層基礎

【概述】
PHP的記憶體管理器是分層（hierarchical）的。這個管理器共有三層：儲存層（storage）、堆（heap）層和 emalloc/efree 層。在PHP源碼閱讀筆記三十：PHP記憶體池中的儲存層中介紹了儲存層，儲存層通過 malloc()、mmap() 等函數向系統真正的申請記憶體，並通過 free() 函數釋放所申請的記憶體。儲存層通常申請的記憶體塊都比較大，這裡申請的記憶體大並不是指storage層結構所需要的記憶體大，只是堆層通過調用儲存層的分配方法時，其以段的格式申請的記憶體比較大，儲存層的作用是將記憶體配置的方式對堆層透明化。
在儲存層之上就是今天我們要瞭解的堆層。堆層一個調度層，它與上面的emalloc/efree層互動，將通過儲存層申請到的大塊記憶體，進行拆分，按需提供。在堆層中有其一套記憶體的調度策略，這個整個PHP記憶體配置管理的核心地區。

以下的所有分享都是基於ZEND_DEBUG未開啟的情況。
首先看下堆層所涉及到的結構：
【結構】

 /* mm block type */typedef struct _zend_mm_block_info {size_t _size;/* block的大小*/size_t _prev;/* 計算前一個塊有用到*/} zend_mm_block_info;  typedef struct _zend_mm_block {zend_mm_block_info info;} zend_mm_block; typedef struct _zend_mm_small_free_block {/* 雙向鏈表 */zend_mm_block_info info;struct _zend_mm_free_block *prev_free_block;/* 前一個塊 */struct _zend_mm_free_block *next_free_block;/* 後一個塊 */} zend_mm_small_free_block;/* 小的空閑塊*/ typedef struct _zend_mm_free_block {/* 雙向鏈表 + 樹結構 */zend_mm_block_info info;struct _zend_mm_free_block *prev_free_block;/* 前一個塊 */struct _zend_mm_free_block *next_free_block;/* 後一個塊 */ struct _zend_mm_free_block **parent;/* 父結點 */struct _zend_mm_free_block *child[2];/* 兩個子結點*/} zend_mm_free_block;   struct _zend_mm_heap {int                 use_zend_alloc;/* 是否使用zend記憶體管理器 */void               *(*_malloc)(size_t);/* 記憶體配置函數*/void                (*_free)(void*);/* 記憶體釋放函數*/void               *(*_realloc)(void*, size_t);size_t              free_bitmap;/* 小塊空閑記憶體標識 */size_t              large_free_bitmap;  /* 大塊空閑記憶體標識*/size_t              block_size;/* 一次記憶體配置的段大小，即ZEND_MM_SEG_SIZE指定的大小，預設為ZEND_MM_SEG_SIZE   (256 * 1024)*/size_t              compact_size;/* 壓縮操作邊界值，為ZEND_MM_COMPACT指定大小，預設為 2 * 1024 * 1024*/zend_mm_segment    *segments_list;/* 段指標列表 */zend_mm_storage    *storage;/* 所調用的儲存層 */size_t              real_size;/* 堆的真實大小 */size_t              real_peak;/* 堆真實大小的峰值 */size_t              limit;/* 堆的記憶體邊界 */size_t              size;/* 堆大小 */size_t              peak;/* 堆大小的峰值*/size_t              reserve_size;/* 備用堆大小*/void               *reserve;/* 備用堆 */int                 overflow;/* 記憶體溢出數*/int                 internal;#if ZEND_MM_CACHEunsigned int        cached;/* 已緩衝大小 */zend_mm_free_block *cache[ZEND_MM_NUM_BUCKETS];/* 緩衝數組/#endifzend_mm_free_block *free_buckets[ZEND_MM_NUM_BUCKETS*2];/* 小塊空閑記憶體數組 */zend_mm_free_block *large_free_buckets[ZEND_MM_NUM_BUCKETS];/* 大塊空閑記憶體數組*/zend_mm_free_block *rest_buckets[2];/* 剩餘記憶體數組 */ };

對於heap結構中的記憶體操作函數，如果use_zend_alloc為否，則使用malloc-type 記憶體配置，此時所有的操作就不經過堆層中的記憶體管理，直接採用malloc等函數。

compact_size的大小預設為 2 * 1024 * 1024（2M）,如果有設定變數ZEND_MM_COMPACT則為此指定大小，如果記憶體的峰值超過這個值，則會調用storage的compact函數，只是這個函數現在的實現為空白，可能在後續的版本中添加。

reserve_size為備用堆的大小，預設情況下為ZEND_MM_RESERVE_SIZE，其大小為(8*1024)
*reserve為備用堆，其大小為reserve_size，其用作記憶體溢出時報告錯誤用。

【關於USE_ZEND_ALLOC】
環境變數 USE_ZEND_ALLOC 可用於允許在運行時選擇 malloc 或 emalloc 記憶體配置。使用 malloc-type 記憶體配置將允許外部調試器觀察記憶體使用量情況，而 emalloc 分配將使用 Zend 記憶體管理器抽象，要求進行內部調試。
[zend_startup() -> start_memory_manager() -> alloc_globals_ctor()]

static void alloc_globals_ctor(zend_alloc_globals *alloc_globals TSRMLS_DC){char *tmp;alloc_globals->mm_heap = zend_mm_startup(); tmp = getenv("USE_ZEND_ALLOC");if (tmp) {alloc_globals->mm_heap->use_zend_alloc = zend_atoi(tmp, 0);if (!alloc_globals->mm_heap->use_zend_alloc) {/* 如果不使用zend的記憶體管理器，同直接使用malloc函數*/alloc_globals->mm_heap->_malloc = malloc;alloc_globals->mm_heap->_free = free;alloc_globals->mm_heap->_realloc = realloc;}}}

【初始化】

[zend_mm_startup()]
初始化storage層的分配方案，初始化段大小，壓縮邊界值，並調用zend_mm_startup_ex()初始化堆層。

[zend_mm_startup() -> zend_mm_startup_ex()]
【記憶體對齊】
在PHP的記憶體配置中使用了記憶體對齊，記憶體對齊計算顯然有兩個目標：一是減少CPU的訪存次數；第二個就是還要保持儲存空間的效率足夠高。

 # define ZEND_MM_ALIGNMENT 8 #define ZEND_MM_ALIGNMENT_MASK ~(ZEND_MM_ALIGNMENT-1)  #define ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(size)(((size) + ZEND_MM_ALIGNMENT - 1) & ZEND_MM_ALIGNMENT_MASK)  #define ZEND_MM_ALIGNED_HEADER_SIZEZEND_MM_ALIGNED_SIZE(sizeof(zend_mm_block)) #define ZEND_MM_ALIGNED_FREE_HEADER_SIZEZEND_MM_ALIGNED_SIZE(sizeof(zend_mm_small_free_block))

PHP在分配塊的記憶體中，用到記憶體對齊，如果所需要的記憶體的大小的低三位不為0（不能為8整除），則將低三位加上7，並~7進行與操作，即對於大小不是8的整數倍的記憶體大小補全到可以被8整除。
在win32機器上，一些宏對應的數值大小為：
ZEND_MM_MIN_SIZE=8
ZEND_MM_MAX_SMALL_SIZE=272
ZEND_MM_ALIGNED_HEADER_SIZE=8
ZEND_MM_ALIGNED_FREE_HEADER_SIZE=16
ZEND_MM_MIN_ALLOC_BLOCK_SIZE=8
ZEND_MM_ALIGNED_MIN_HEADER_SIZE=16
ZEND_MM_ALIGNED_SEGMENT_SIZE=8

如果要分配一個大小為9個位元組的塊，則其實際分配的大小為ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(9 + 8)=24

【塊的定位】
所分配的記憶體的右邊的兩位是用來標記記憶體的類型。
其大小的定義為#define ZEND_MM_TYPE_MASKZEND_MM_LONG_CONST(0×3)

如下所示代碼為塊的定位

 #define ZEND_MM_NEXT_BLOCK(b)ZEND_MM_BLOCK_AT(b, ZEND_MM_BLOCK_SIZE(b)) #define ZEND_MM_PREV_BLOCK(b)ZEND_MM_BLOCK_AT(b, -(int)((b)->info._prev & ~ZEND_MM_TYPE_MASK))  #define ZEND_MM_BLOCK_AT(blk, offset)((zend_mm_block *) (((char *) (blk))+(offset))) #define ZEND_MM_BLOCK_SIZE(b)((b)->info._size & ~ZEND_MM_TYPE_MASK)#define ZEND_MM_TYPE_MASKZEND_MM_LONG_CONST(0x3)

當前塊的下一個元素，即為當前塊的頭位置加上整個塊(去掉了類型的長度)的長度。
當前塊的上一個元素，即為當前塊的頭位置減去前一個塊(去掉了類型的長度)的長度。
關於前一個塊的長度，在塊的初始化時設定為當前塊的大小與塊類型的或操作的結果。

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