浅谈PHP源码三十一：PHP内存池中的堆(heap)层基础

浅谈PHP源码三十一：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】

 /* 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()]

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。

 # 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

 #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)

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。

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