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

PHP語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，通常會這樣認爲：“引用賦值就是兩個變量對應同一個變量(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量(zval)，同時將值copy過來”。
這種認爲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)

<?php
function print_arr($arr){//非引用傳遞
	print_r($arr);
}

$test_arr = array(
		'a'	=>	'a',
		'b'	=>	'b',
		'c'	=>	'c',
		...
	);//這裏一個比較大的數組

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完全相同的新的變量，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量。因爲PHP內核中已經幫助我們進行了優化。

具體如何實現的呢？這裏就要講到本文的要點：Reference counting & Copy-on-Write，正是採用引用計數、寫時複製這兩個機制得以優化。

在介紹這兩個機制前，先了解一個基本知識：PHP中的變量在內核中是如何表示的。
PHP中定義的變量都是以一個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當前變量存儲引用計數，在zval初始創建的時候就爲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

上面代碼的註釋，表示當執行這一行後，refcount與is_ref的變化.

Copy on Write

Php變量通過引用計數實現變量共享數據，那如果改變其中一個變量值呢？

當試圖寫入一個變量時，Zend若發現該變量指向的zval被多個變量共享，則爲其複製一份ref_count爲1的zval，並遞減原zval的refcount，這個過程稱爲“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)

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

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

執行過程中的內存結構圖：

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

執行過程中的內存結構圖：

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量。
只是當是引用時，is_ref設置爲1。當非引用時，is_ref設置爲0。
讀寫複製，就是根據is_ref來進行變量分離的。

當is_ref=1時，是引用變量時，執行“引用下的變量分離”

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

執行過程中的內存結構圖：

當is_ref=0時，是非引用變量時，執行“非引用下的變量分離”

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

執行過程中的內存結構圖：

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


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