PHP源码阅读笔记三十一：PHP内存池中的堆(heap)层基础
【概述】
PHP的内存管理器是分层（hierarchical）的。这个管理器共有三层：存储层（storage）、堆（heap）层和 emalloc/efree 层。在PHP源码阅读笔记三十：PHP内存池中的存储层中介绍了存储层，存储层通过 malloc()、mmap() 等函数向系统真正的申请内存，并通过 free() 函数释放所申请的内存。存储层通常申请的内存块都比较大，这里申请的内存大并不是指storage层结构所需要的内存大，只是堆层通过调用存储层的分配方法时，其以段的格式申请的内存比较大，存储层的作用是将内存分配的方式对堆层透明化。
在存储层之上就是今天我们要了解的堆层。堆层一个调度层，它与上面的emalloc/efree层交互，将通过存储层申请到的大块内存，进行拆分，按需提供。在堆层中有其一套内存的调度策略，这个整个PHP内存分配管理的核心区域。
以下的所有分享都是基于ZEND_DEBUG未打开的情况。
首先看下堆层所涉及到的结构：
【结构】
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 | /* mm block type */ typedef struct _zend_mm_block_info { size_t _size; /* block的大小*/ size_t _prev; /* 计算前一个块有用到*/ } zend_mm_block_info; typedef struct _zend_mm_block { zend_mm_block_info info; } zend_mm_block; typedef struct _zend_mm_small_free_block { /* 双向链表 */ zend_mm_block_info info; struct _zend_mm_free_block *prev_free_block; /* 前一个块 */ struct _zend_mm_free_block *next_free_block; /* 后一个块 */ } zend_mm_small_free_block; /* 小的空闲块*/ typedef struct _zend_mm_free_block { /* 双向链表 + 树结构 */ zend_mm_block_info info; struct _zend_mm_free_block *prev_free_block; /* 前一个块 */ struct _zend_mm_free_block *next_free_block; /* 后一个块 */ struct _zend_mm_free_block **parent; /* 父结点 */ struct _zend_mm_free_block *child[2]; /* 两个子结点*/ } zend_mm_free_block; struct _zend_mm_heap { int use_zend_alloc; /* 是否使用zend内存管理器 */ void *(*_malloc)(size_t); /* 内存分配函数*/ void (*_free)(void*); /* 内存释放函数*/ void *(*_realloc)(void*, size_t); size_t free_bitmap; /* 小块空闲内存标识 */ size_t large_free_bitmap; /* 大块空闲内存标识*/ size_t block_size; /* 一次内存分配的段大小，即ZEND_MM_SEG_SIZE指定的大小，默认为ZEND_MM_SEG_SIZE (256 * 1024)*/ size_t compact_size; /* 压缩操作边界值，为ZEND_MM_COMPACT指定大小，默认为 2 * 1024 * 1024*/ zend_mm_segment *segments_list; /* 段指针列表 */ zend_mm_storage *storage; /* 所调用的存储层 */ size_t real_size; /* 堆的真实大小 */ size_t real_peak; /* 堆真实大小的峰值 */ size_t limit; /* 堆的内存边界 */ size_t size; /* 堆大小 */ size_t peak; /* 堆大小的峰值*/ size_t reserve_size; /* 备用堆大小*/ void *reserve; /* 备用堆 */ int overflow; /* 内存溢出数*/ int internal; #if ZEND_MM_CACHE unsigned int cached; /* 已缓存大小 */ zend_mm_free_block *cache[ZEND_MM_NUM_BUCKETS]; /* 缓存数组/ #endif zend_mm_free_block *free_buckets[ZEND_MM_NUM_BUCKETS*2]; /* 小块空闲内存数组 */ zend_mm_free_block *large_free_buckets[ZEND_MM_NUM_BUCKETS]; /* 大块空闲内存数组*/ zend_mm_free_block *rest_buckets[2]; /* 剩余内存数组 */ }; |
对于heap结构中的内存操作函数，如果use_zend_alloc为否，则使用malloc-type 内存分配，此时所有的操作就不经过堆层中的内存管理，直接采用malloc等函数。
compact_size的大小默认为 2 * 1024 * 1024（2M）,如果有设置变量ZEND_MM_COMPACT则为此指定大小，如果内存的峰值超过这个值，则会调用storage的compact函数，只是这个函数现在的实现为空，可能在后续的版本中添加。
reserve_size为备用堆的大小，默认情况下为ZEND_MM_RESERVE_SIZE，其大小为(8*1024)
*reserve为备用堆，其大小为reserve_size，其用作内存溢出时报告错误用。
【关于USE_ZEND_ALLOC】
环境变量 USE_ZEND_ALLOC 可用于允许在运行时选择 malloc 或 emalloc 内存分配。使用 malloc-type 内存分配将允许外部调试器观察内存使用情况，而 emalloc 分配将使用 Zend 内存管理器抽象，要求进行内部调试。
[zend_startup() -> start_memory_manager() -> alloc_globals_ctor()]
2510 2511 2512 2513 2514 2515 2516 2517 2518 2519 2520 2521 2522 2523 2524 | 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的内存管理器，同直接使用malloc函数*/ 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层的分配方案，初始化段大小，压缩边界值，并调用zend_mm_startup_ex()初始化堆层。
[zend_mm_startup() -> zend_mm_startup_ex()]
【内存对齐】
在PHP的内存分配中使用了内存对齐，内存对齐计算显然有两个目标：一是减少CPU的访存次数；第二个就是还要保持存储空间的效率足够高。
1 2 3 4 5 6 7 8 | # 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_SIZE ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(sizeof(zend_mm_block)) #define ZEND_MM_ALIGNED_FREE_HEADER_SIZE ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(sizeof(zend_mm_small_free_block)) |
PHP在分配块的内存中，用到内存对齐，如果所需要的内存的大小的低三位不为0（不能为8整除），则将低三位加上7，并~7进行与操作，即对于大小不是8的整数倍的内存大小补全到可以被8整除。
在win32机器上，一些宏对应的数值大小为：
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
如果要分配一个大小为9个字节的块，则其实际分配的大小为ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(9 + 8)=24
【块的定位】
所分配的内存的右边的两位是用来标记内存的类型。
其大小的定义为#define ZEND_MM_TYPE_MASK ZEND_MM_LONG_CONST(0×3)
如下所示代码为块的定位
1 2 3 4 5 6 | #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_MASK ZEND_MM_LONG_CONST(0x3) |
当前块的下一个元素，即为当前块的头位置加上整个块(去掉了类型的长度)的长度。
当前块的上一个元素，即为当前块的头位置减去前一个块(去掉了类型的长度)的长度。
关于前一个块的长度，在块的初始化时设置为当前块的大小与块类型的或操作的结果。