PHP源碼分析-變數的引用計數、寫時複製(Reference counting & Copy-on-Write)

PHP文法中有兩種賦值方式：引用賦值、非引用賦值。

<?php$a = 1;$b = $a; // 非引用賦值$c = &$b; // 引用賦值

從表面看，通常會這樣認為：“引用賦值就是兩個變數對應同一個變數(在C中其實就是一個zval),非引用賦值則是直接產生的一個新的變數(zval)，同時將值copy過來”。
這種認為在大部分情況下都是可以想通的。(#1)

但有些情況下則會顯得非常低效，例如：(#2)

<?phpfunction print_arr($arr){//非引用傳遞print_r($arr);}$test_arr = array('a'=>'a','b'=>'b','c'=>'c',...);//這裡一個比較大的數組print_arr($test_arr);//第一次調用print_arr函數執行輸出print_arr($test_arr);//第二次調用print_arr函數執行輸出

如果按照上面的理解方式(#1),那麼執行兩次print_arr，並且是非引用的方式，則會產生兩個與$test_arr完全相同的新的變數，那麼將是非常低效的。

實際代碼在運行中，並不會產生兩個新的變數。因為PHP核心中已經協助我們進行了最佳化。

具體如何?的呢？這裡就要講到本文的要點：Reference counting & Copy-on-Write，正是採用引用計數、寫時複製這兩個機製得以最佳化。

在介紹這兩個機制前，先瞭解一個基本知識：PHP中的變數在核心中是如何表示的。
PHP中定義的變數都是以一個zval來表示的，zval的定義在Zend/zend.h中定義：

typedef struct _zval_struct zval;  typedef union _zvalue_value {    long lval;                  /* long value */    double dval;                /* double value */    struct {        char *val;        int len;    } str;    HashTable *ht;              /* hash table value */    zend_object_value obj;} zvalue_value;struct _zval_struct {    /* Variable information */    zvalue_value value;     /* value */    zend_uint refcount;    zend_uchar type;    /* active type */    zend_uchar is_ref;};

其中，refcount和is_ref就是實現引用計數、寫時複製這兩個機制的基礎。
refcount當前變數儲存引用計數，在zval初始建立的時候就為1。每增加一個引用，則refcount ++。當進行引用分離時，refcount--。
is_ref用於表示一個zval是否是引用狀態。zval初始化的情況下會是0，表示不是引用。

<?php$a;//a:refcount=1,is_ref=0, value=NULL;$a = 1;//a:refcount=2,is_ref=0, value=1;$b = $a;//a,b:refcount=3,is_ref=0,value=1;$c = $a;//a,b,c:refcount=4,is_ref=0,value=1;$d = &$c; //a,b:refcount=3,is_ref=0,value=1;c,d:refcount=1, is_ref=1, value=1

上面代碼的注釋，表示當執行這一行後，refcount與is_ref的變化.

Copy on Write

Php變數通過引用計數實現變數共用資料，那如果改變其中一個變數值呢？

當試圖寫入一個變數時，Zend若發現該變數指向的zval被多個變數共用，則為其複製一份ref_count為1的zval，並遞減原zval的refcount，這個過程稱為“zval分離”。可見，只有在有寫操作發生時zend才進行拷貝操作，因此也叫copy-on-write(寫時拷貝)

對於引用型變數，其要求和非引用型相反，引用賦值的變數間必須是捆綁的，修改一個變數就修改了所有捆綁變數。

<?php$a=1;$b=$a;

執行過程中的記憶體結構圖：

<?php$a=1;$b=&a;

執行過程中的記憶體結構圖：

從上可以看到，無論是引用、非引用，這種直接賦值都不會產生新的變數。
只是當是引用時，is_ref設定為1。當非引用時，is_ref設定為0。
讀寫複製，就是根據is_ref來進行變數分離的。

當is_ref=1時，是引用變數時，執行“引用下的變數分離”

<?php$a = 1;$b = $a;$c = &$b;

執行過程中的記憶體結構圖：

當is_ref=0時，是非引用變數時，執行“非引用下的變數分離”

<?php$a = 1;$b = &$a;$c = $b;

執行過程中的記憶體結構圖：

只有真正在需要改變變數的值時，
回頭在看(#2)代碼，可以看到實際上，並沒有產生新的變數，始終是$test_arr的變數在輸出。所以，這也是為什麼很少看到在PHP中使用引用方式傳遞變數，卻仍然不會有效能問題的原因。

參考文章：http://stblog.baidu-tech.com/?p=1221