浅谈PHP源码三十：PHP内存池中的存储层

浅谈PHP源码三十：PHP内存池中的存储层

【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。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。

首先看storage层的结构：
【结构】

  /* Heaps with user defined storage */
  typedef struct _zend_mm_storage zend_mm_storage; typedef struct _zend_mm_segment {
    size_t    size;
    struct _zend_mm_segment *next_segment;
    } 
    zend_mm_segment; 
    typedef struct _zend_mm_mem_handlers {
    const char *name;
    zend_mm_storage* (*init)(void *params);    //    初始化函数
    void (*dtor)(zend_mm_storage *storage);    //    析构函数
    void (*compact)(zend_mm_storage *storage);
    zend_mm_segment* (*_alloc)(zend_mm_storage *storage, size_t size);    //    内存分配函数
    zend_mm_segment* (*_realloc)(zend_mm_storage *storage, zend_mm_segment *ptr, size_t size);    //    重新分配内存函数
    void (*_free)(zend_mm_storage *storage, zend_mm_segment *ptr);    //    释放内存函数
    } 
    zend_mm_mem_handlers; struct _zend_mm_storage {
    const zend_mm_mem_handlers *handlers;    //    处理函数集
    void *data;};

内存的分配方式，调用的函数是_zend_mm_storage结构中的处理函数集，而内存是以段的形式表现的。
【4种内存方案】
PHP在存储层共有4种内存分配方案: malloc，win32，mmap_anon，mmap_zero默认使用malloc分配内存，如果设置了ZEND_WIN32宏，则为windows版本，调用HeapAlloc分配内存，剩下两种内存方案为匿名内存映射，并且PHP的内存方案可以通过设置变量来修改。
官方说明如下：
The Zend MM can be tweaked using ZEND_MM_MEM_TYPE and ZEND_MM_SEG_SIZE environment
variables. Default values are “malloc” and “256K”. Dependent on target system you
can also use “mmap_anon”, “mmap_zero” and “win32″ storage managers.

在代码中，对于这4种内存分配方案，分别对应实现了zend_mm_mem_handlers中的各个处理函数。配合代码的简单说明如下：

/* 使用mmap内存映射函数分配内存 写入时拷贝的私有映射，并且匿名映射，映射区不与任何文件关联。*/
# define ZEND_MM_MEM_MMAP_ANON_DSC {"mmap_anon", zend_mm_mem_dummy_init, zend_mm_mem_dummy_dtor, zend_mm_mem_dummy_compact, zend_mm_mem_mmap_anon_alloc, zend_mm_mem_mmap_realloc, zend_mm_mem_mmap_free}
/* 使用mmap内存映射函数分配内存 写入时拷贝的私有映射，并且映射到/dev/zero。*/
# define ZEND_MM_MEM_MMAP_ZERO_DSC {"mmap_zero", zend_mm_mem_mmap_zero_init, zend_mm_mem_mmap_zero_dtor, zend_mm_mem_dummy_compact, zend_mm_mem_mmap_zero_alloc, zend_mm_mem_mmap_realloc, zend_mm_mem_mmap_free}
/* 使用HeapAlloc分配内存 windows版本 关于这点，注释中写的是VirtualAlloc() to allocate memory，实际在程序中使用的是HeapAlloc*/
# define ZEND_MM_MEM_WIN32_DSC {"win32", zend_mm_mem_win32_init, zend_mm_mem_win32_dtor, zend_mm_mem_win32_compact, zend_mm_mem_win32_alloc, zend_mm_mem_win32_realloc, zend_mm_mem_win32_free}
/* 使用malloc分配内存 默认为此种分配 如果有加ZEND_WIN32宏，则使用win32的分配方案*/
# define ZEND_MM_MEM_MALLOC_DSC {"malloc", zend_mm_mem_dummy_init, zend_mm_mem_dummy_dtor, zend_mm_mem_dummy_compact, zend_mm_mem_malloc_alloc, zend_mm_mem_malloc_realloc, zend_mm_mem_malloc_free}static const zend_mm_mem_handlers mem_handlers[] = {#ifdef HAVE_MEM_WIN32    
ZEND_MM_MEM_WIN32_DSC,#endif#ifdef HAVE_MEM_MALLOC    ZEND_MM_MEM_MALLOC_DSC,#endif#ifdef HAVE_MEM_MMAP_ANON    
ZEND_MM_MEM_MMAP_ANON_DSC,#endif#ifdef HAVE_MEM_MMAP_ZERO    
ZEND_MM_MEM_MMAP_ZERO_DSC,#endif    
{NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL}};

【关于匿名内存映射的优点】
mmem_zero方案：
(SVR 4 ) /dev/zero Memory Mapping
1. 可以将伪设备 “/dev/zero” 作为参数传递给 mmap 而创建一个映射区。/dev/zero 的特殊在于，对于该设备文件所有的读操作都返回值为 0 的指定长度的字节流 ，任何写入的内容都被丢弃。我们的兴趣在于用它来创建映射区，用 /dev/zero 创建的映射区，其内容被初始为 0 。
2. 使用 /dev/zero 的优点在于，mmap创建映射区时，不需要一个时间存在的文件，伪文件 /dev/zero 就足够了。缺点是只能用在相关进程间。相对于相关进程间的通信，使用线程间通信效率要更高一些。不管使用那种技术，对共享数据的访问都需要进行同步。

mmem_anon方案：
(4.4 BSD) Anonymous Memory Mapping
1. 匿名内存映射 与 使用 /dev/zero 类型，都不需要真实的文件。要使用匿名映射之需要向 mmap 传入 MAP_ANON 标志，并且 fd 参数 置为 -1 。
2. 所谓匿名，指的是映射区并没有通过 fd 与 文件路径名相关联。匿名内存映射用在有血缘关系的进程间。

【win32方案中堆内存分配的声明】
windows API
函数HeapAlloc声明如下：

WINBASEAPI
__out_opt
HANDLE
WINAPI
HeapCreate(
__in DWORD flOptions,
__in SIZE_T dwInitialSize,
__in SIZE_T dwMaximumSize); 
WINBASEAPI
BOOL
WINAPI
HeapDestroy(
__in HANDLE hHeap); 
WINBASEAPI
__bcount(dwBytes)LPVOID
WINAPI
HeapAlloc(
__in HANDLE hHeap,
__in DWORD dwFlags,
__in SIZE_T dwBytes); 
 
WINBASEAPI
BOOL
WINAPI
HeapFree(
__inout HANDLE hHeap,
__inDWORD dwFlags,
__deref LPVOID lpMem); 
WINBASEAPI
SIZE_T
WINAPI
HeapSize(
__in HANDLE hHeap,
__in DWORD dwFlags,
__in LPCVOID lpMem);

hHeap是进程堆内存开始位置。
dwFlags是分配堆内存的标志。
dwBytes是分配堆内存的大小。

【初始化】
在zend_mm_startup启动时，程序会根据配置设置内存分配方案和段分配大小，如下所示代码：

ZEND_API zend_mm_heap *zend_mm_startup(void){
    int i;
    size_t seg_size;
    char *mem_type = getenv("ZEND_MM_MEM_TYPE");
    char *tmp;
    const zend_mm_mem_handlers *handlers;
    zend_mm_heap *heap;     if (mem_type == NULL) {
    i = 0;
    } else {
    for (i = 0; mem_handlers[i].name; i++) {
    if (strcmp(mem_handlers[i].name, mem_type) == 0) {
    break;
    }
    }
    if (!mem_handlers[i].name) {
    fprintf(stderr, "Wrong or unsupported zend_mm storage type '%s'\n", mem_type);
    fprintf(stderr, "  supported types:\n");
    for (i = 0; mem_handlers[i].name; i++) {
    fprintf(stderr, "'%s'\n", mem_handlers[i].name);
    }
    exit(255);
    }
    }
    handlers = &mem_handlers[i]; 
    tmp = getenv("ZEND_MM_SEG_SIZE");
    if (tmp) {
    seg_size = zend_atoi(tmp, 0);
    if (zend_mm_low_bit(seg_size) != zend_mm_high_bit(seg_size)) {
    fprintf(stderr, "ZEND_MM_SEG_SIZE must be a power of two\n");
    exit(255);
    } else if (seg_size < ZEND_MM_ALIGNED_SEGMENT_SIZE + ZEND_MM_ALIGNED_HEADER_SIZE) {
    fprintf(stderr, "ZEND_MM_SEG_SIZE is too small\n");
    exit(255);
    }
    } else {
    seg_size = ZEND_MM_SEG_SIZE;
    }     //....代码省略}

第1121~1138行 遍历整个mem_handlers数组，确认内存分配方案，如果没有设置ZEND_MM_MEM_TYPE变量，默认使用malloc方案，如果是windows(即ZEND_WIN32)，则默认使用win32方案，如果设置了ZEND_MM_MEM_TYPE变量，则采用设置的方案。

第1140~1152行 确认段分配大小，如果设置了ZEND_MM_SEG_SIZE变量，则使用设置的大小，此处会判断所设置的大小是否满足2的倍数，并且大于或等于ZEND_MM_ALIGNED_SEGMENT_SIZE + ZEND_MM_ALIGNED_HEADER_SIZE；如果没有设置没使用默认的ZEND_MM_SEG_SIZE

【附录】
功能描述：
mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。munmap执行相反的操作，删除特定地址区域的对象映射。
基于文件的映射，在mmap和munmap执行过程的任何时刻，被映射文件的st_atime可能被更新。如果st_atime字段在前述的情况下没有得到更新，首次对映射区的第一个页索引时会更新该字段的值。用PROT_WRITE 和 MAP_SHARED标志建立起来的文件映射，其st_ctime 和 st_mtime
在对映射区写入之后，但在msync()通过MS_SYNC 和 MS_ASYNC两个标志调用之前会被更新。

用法：

#include 
void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags,
int fd, off_t offset);
int munmap(void *start, size_t length);

参数：
start：映射区的开始地址。
length：映射区的长度。
prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起
PROT_EXEC //页内容可以被执行
PROT_READ //页内容可以被读取
PROT_WRITE //页可以被写入
PROT_NONE //页不可访问
flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体
MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。
MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入，相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用，文件实际上不会被更新。
MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。
MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。
MAP_EXECUTABLE //同上
MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。
MAP_LOCKED //锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。
MAP_GROWSDOWN //用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。
MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。
MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称，不再被使用。
MAP_FILE //兼容标志，被忽略。
MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。
MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。
MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。
fd：有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定，为了兼容问题，其值应为-1。
offset：被映射对象内容的起点。

返回说明：
成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0。失败时，mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1]，munmap返回-1。errno被设为以下的某个值
EACCES：访问出错
EAGAIN：文件已被锁定，或者太多的内存已被锁定
EBADF：fd不是有效的文件描述词
EINVAL：一个或者多个参数无效
ENFILE：已达到系统对打开文件的限制
ENODEV：指定文件所在的文件系统不支持内存映射
ENOMEM：内存不足，或者进程已超出最大内存映射数量
EPERM：权能不足，操作不允许
ETXTBSY：已写的方式打开文件，同时指定MAP_DENYWRITE标志
SIGSEGV：试着向只读区写入
SIGBUS：试着访问不属于进程的内存区

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