PHP 之 写时复制介绍(Copy On Write)

在开始之前,我们可以先看一段简单的代码:

复制代码 代码如下:


<?php   //例一
    $foo = 1;
    $bar = $foo;
    echo $foo + $bar;
?>

执行这段代码,会打印出数字2。从内存的角度来分析一下这段代码“可能”是这样执行的:分配一块内存给foo变量,里面存储一个1; 再分配一块内存给bar变量,也存一个1,最后计算出结果输出。事实上,我们发现foo和bar变量因为值相同,完全可以使用同一块内存,这样,内存的使用就节省了一个1,并且,还省去了分配内存和管理内存地址的计算开销。没错,很多涉及到内存管理的系统,都实现了这种相同值共享内存的策略:写时复制

很多时候,我们会因为一些术语而对其概念产生莫测高深的恐惧,而其实,他们的基本原理往往非常简单。本小节将介绍PHP中写时复制这种策略的实现:

写时复制(Copy on Write,也缩写为COW)的应用场景非常多, 比如Linux中对进程复制中内存使用的优化,在各种编程语言中,如C++的STL等等中均有类似的应用。 COW是常用的优化手段,可以归类于:资源延迟分配。只有在真正需要使用资源时才占用资源, 写时复制通常能减少资源的占用。

注: 为节省篇幅,下文将统一使用COW来表示“写时复制”;

推迟内存复制的优化

正如前面所说,PHP中的COW可以简单描述为:如果通过赋值的方式赋值给变量时不会申请新内存来存放新变量所保存的值,而是简单的通过一个计数器来共用内存,只有在其中的一个引用指向变量的值发生变化时才申请新空间来保存值内容以减少对内存的占用。在很多场景下PHP都COW进行内存的优化。比如:变量的多次赋值、函数参数传递,并在函数体内修改实参等。

下面让我们看一个查看内存的例子,可以更容易看到COW在内存使用优化方面的明显作用:

复制代码 代码如下:


<?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());

//-----执行结果-----
$ php t.php 
int(630904)
int(10479840)
int(10479944)
int(10480040)

上面的代码比较典型的突出了COW的作用,在数组变量$tipi被赋值给$tipi_copy时,内存的使用并没有立刻增加一半,在循环遍历数$tipi_copy时也没有发生显著变化,在这里$tipi_copy和$tipi变量的数据共同指向同一块内存,而没有复制。

也就是说,即使我们不使用引用,一个变量被赋值后,只要我们不改变变量的值 ,也不会新申请内存用来存放数据。据此我们很容易就可以想到一些COW可以非常有效的控制内存使用的场景:只是使用变量进行计算而很少对其进行修改操作,如函数参数的传递,大数组的复制等等等不需要改变变量值的情形。

复制分离变化的值

多个相同值的变量共用同一块内存的确节省了内存空间,但变量的值是会发生变化的,如果在上面的例子中,指向同一内存的值发生了变化(或者可能发生变化),就需要将变化的值“分离”出去,这个“分离”的操作,就是“复制”。

在PHP中,Zend引擎为了区别同一个zval地址是否被多个变量共享,引入了ref_count和is_ref两个变量进行标识:

复制代码 代码如下:


ref_count和is_ref是定义于zval结构体中(见第一章第一小节)
is_ref标识是不是用户使用 & 的强制引用;
ref_count是引用计数,用于标识此zval被多少个变量引用,即COW的自动引用,为0时会被销毁;
关于这两个变量的更多内容,跳转阅读:第三章第六节:变量的赋值和销毁的实现。
注:由此可见, $a=$b; 与 $a=&$b; 在PHP对内存的使用上没有区别(值不变化时);

下面我们把例二稍做变化:如果$copy的值发生了变化,会发生什么?:

复制代码 代码如下:


<?php //例三
//$tipi = array_fill(0, 3, 'php-internal');  
//这里不再使用array_fill来填充 ,为什么?
$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());

//-----执行结果-----
$ 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)

在这个例子中,我们可以发现以下特点:

$copy = $tipi;这种基本的赋值操作会触发COW的内存“共享”,不会产生内存复制;

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