摘要：本文將要講述發展歷程中的垃圾回收及內存管理相關內容，文末給出發展在各個階段有關內存管理及垃圾回收內核參考資料值得閱讀。引用計數在及以前的版本中，的垃圾回收采用的是引用計數算法。回收周期當緩沖區滿時，對緩沖區中的所有可能根進行垃圾回收處理。

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本文將要講述 PHP 發展歷程中的垃圾回收及內存管理相關內容，文末給出 PHP 發展在各個階段有關內存管理及垃圾回收（內核）參考資料值得閱讀。

在 PHP 5.2 及以前的版本中，PHP 的垃圾回收采用的是 引用計數 算法。

引用計數基礎知識

php 的變量存儲在「zval」變量容器（數據結構）中，「zval」屬性包含如下信息：

當前變量的數據類型；

當前變量的值；

用于標識變量是否為引用傳遞的 is_ref 布爾類型標識；

指向該「zval」變量容器的變量個數的 refcount 標識符（即這個 zval 被引用的次數，注意這里的引用不是指引用傳值，注意區分）。

當一個變量被賦值時，就會生成一個對應的「zavl」變量容器。

要查看變量的「zval」容器信息（即查看變量的 is_ref 和 refcount），可以使用 XDebug 調試工具的 xdebug_debug_zval() 函數。

安裝 XDebug 擴展插件的方法可以查看 這個教程，有關XDebug 使用方法請閱讀 官方文檔。

假設，我們已經成功安裝好 XDebug 工具，現在就可以來對變量進行調試了。

查看普通變量的 zval 信息

如果我們的 PHP 語句只是對變量進行簡單賦值時，is_ref 標識值為 0，refcount 值為 1；若將這個變量作為值賦值給另一個變量時，則增加 zval 變量容器的 refcount 計數；同理，銷毀（unset）變量時，「refcount」相應的減去 1。

請看下面的示例：

寫時復制
寫時復制（Copy On Write：COW），簡單描述為：如果通過賦值的方式賦值給變量時不會申請新內存來存放新變量所保存的值，而是簡單的通過一個計數器來共用內存，只有在其中的一個引用指向變量的值發生變化時，才申請新空間來保存值內容以減少對內存的占用。 - TPIP 寫時復制

通過前面的簡單變量的 zval 信息我們知道 $copy 和 $name 共用 zval 變量容器（內存），然后通過 refcount 來表示當前這個 zval 被多少個變量使用。
看個實例：

注意到沒有，當將值 liugongzi handsome 賦值給變量 $copy 時，name 和 copy 的 refcount 值都變成了 1，在這個過程中發生以下幾個操作：

將 $copy 從 $name 的 zval（內從）中分離出來（即復制）；
將 $name 的 refcount 減去 1；
對 $copy 的 zval 進行修改（重新賦值和修改 refcount）；

這里只是簡單對「寫時復制」進行介紹，感興趣的朋友可以閱讀文末給出的參考資料進行更加深入的研究。
查看引用傳遞變量的 zval 信息
引用傳值（&）的「引用計數」規則同普通賦值語句一樣，只是 is_ref 標識的值為 1 表示該變量是引用傳值類型。
我們現在來看看引用傳值的示例：

復合類型的引用計數
與標量類型（整型、浮點型、布爾型等）不同，數組（array）和對象（object）這種符合類型的引用計數規則會稍復雜一些。
為了更好的說明，還是先看看數組的引用計數示例：
$a = array( "meaning" => "life", "number" => 42 );
xdebug_debug_zval( "a" );

// a:
// (refcount=1, is_ref=0)
// array (size=2)
//  "meaning" => (refcount=1, is_ref=0)string "life" (length=4)
//  "number" => (refcount=1, is_ref=0)int 42
上面的引用計數示意圖如下：

從圖中我們發現復合類型的引用計數規則基本上同標量的計數規則一樣，就給出的示例來說，PHP 會創建 3 個 zval 變量容器，一個用于存儲數組本身，另外兩個用于存儲數組中的元素。
添加一個已經存在的元素到數組中時，它的引用計數器 refcount 會增加 1。
$a = array( "meaning" => "life", "number" => 42 );
xdebug_debug_zval( "a" );
$a["life"] = $a["meaning"];
xdebug_debug_zval( "a" );

// a:
// (refcount=1, is_ref=0)
// array (size=3)
//  "meaning" => (refcount=2, is_ref=0)string "life" (length=4)
//  "number" => (refcount=0, is_ref=0)int 42
//  "life" => (refcount=2, is_ref=0)string "life" (length=4)
大致示意圖如下：
。
內存泄露
雖然，復合類型的引用計數規則同標量類型大致相同，但是如果引用的值為變量自身（即循環應用），在處理不當時，就有可能會造成內存泄露的問題。
讓我們來看看下面這個對數組進行引用傳值的示例：

從內存占用結果上看，雖然我們執行了 unset($a) 方法來銷毀 $a 數組，但內存并沒有被回收，整個處理過程的示意圖如下：

可以看到對于這塊內存，再也沒有符合表（變量）指向了，所以 PHP 無法完成內存回收，官方給出的解釋如下：
盡管不再有某個作用域中的任何符號指向這個結構 (就是變量容器)，由于數組元素 “1” 仍然指向數組本身，所以這個容器不能被清除 。因為沒有另外的符號指向它，用戶沒有辦法清除這個結構，結果就會導致內存泄漏。慶幸的是，php 將在腳本執行結束時清除這個數據結構，但是在 php 清除之前，將耗費不少內存。如果你要實現分析算法，或者要做其他像一個子元素指向它的父元素這樣的事情，這種情況就會經常發生。當然，同樣的情況也會發生在對象上，實際上對象更有可能出現這種情況，因為對象總是隱式的被引用。 - 摘自 官方文檔 Cleanup Problems

簡單來說就是「引用計數」算法無法檢測并釋放循環引用所使用的內存，最終導致內存泄露。
引用計數系統的同步周期回收
由于引用計數算法存在無法回收循環應用導致的內存泄露問題，在 PHP 5.3 之后對內存回收的實現做了優化，通過采用 引用計數系統的同步周期回收 算法實現內存管理。引用計數系統的同步周期回收算法是一個改良版本的引用計數算法，它在引用基礎上做出了如下幾個方面的增強：

引入了可能根（possible root）的概念：通過引用計數相關學習，我們知道如果一個變量（zval）被引用，要么是被全局符號表中的符號引用（即變量），要么被復雜類型（如數組）的 zval 中的符號（數組的元素）引用，那么這個 zval 變量容器就是「可能根」。
引入根緩沖區（root buffer）的概念：根緩沖區用于存放所有「可能根」，它是固定大小的，默認可存 10000 個可能根，如需修改可以通過修改 PHP 源碼文件 Zend/zend_gc.c 中的常量 GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES，再重新編譯。
回收周期：當緩沖區滿時，對緩沖區中的所有可能根進行垃圾回收處理。

下圖（來自 PHP 手冊）,展示了新的回收算法執行過程：

引用計數系統的同步周期回收過程

緩沖區（紫色框部分，稱為疑似垃圾），存儲所有可能根（步驟 A）；
采用深度優先算法遍歷「根緩沖區」中所有的「可能根（即 zval 遍歷容器）」，并對每個 zval 的 refcount 減 1，為了避免遍歷時對同一個 zval 多次減 1（因為不同的根可能遍歷到同一個 zval）將這個 zvel 標記為「已減」（步驟 B）；
再次采用深度優先遍歷算法遍歷「可能根 zval」。當 zval 的 refcount 值不為 0 時，對其加 1,否則保持為 0。并請已遍歷的 zval 變量容器標記為「已恢復」（即步驟 B 的逆運算）。那些 zval 的 refcount 值為 0 （藍色框標記）的就是應該被回收的變量（步驟 C）；
刪除所有 refcount 為 0 的可能根（步驟 D）。

整個過程為：
采用深度優先算法執行：默認刪除 > 模擬恢復 > 執行刪除 達到內存回收的目的。
優化后的引用計數算法優勢

將內存泄露控制在閥值內，這個由緩存區實現，達到緩沖區大小執行新一輪垃圾回收；
提升了垃圾回收性能，不是每次 refcount 減 1 都執行回收處理，而是等到根緩沖區滿時才開始執行垃圾回收。

你可以從 PHP 手冊 的回收周期 了解更多，也可以閱讀文末給出的參考資料。
PHP 7 的內存管理
PHP 5 中 zval 實現上的主要問題：

zval 總是多帶帶 從堆中分配內存；
zval 總是存儲引用計數和循環回收 的信息，即使是整型（bool / null）這種可能并不需要此類信息的數據；
在使用對象或者資源時，直接引用會導致兩次計數；
某些間接訪問需要一個更好的處理方式。比如現在訪問存儲在變量中的對象間接使用了四個指針（指針鏈的長度為四）；
直接計數也就意味著數值只能在 zval 之間共享。如果想在 zval 和 hashtable key 之間共享一個字符串就不行（除非 hashtable key 也是 zval）。

PHP 7 中的 zval 數據結構實現的調整：
最基礎的變化就是 zval 需要的內存 不再是多帶帶從堆上分配，不再由 zval 存儲引用計數。
復雜數據類型（比如字符串、數組和對象）的引用計數由其自身來存儲。 - 摘自 Internal value representation in PHP 7 - Part 1【譯】
這種實現的優勢：

簡單數據類型不需要多帶帶分配內存，也不需要計數；
不會再有兩次計數的情況。在對象中，只有對象自身存儲的計數是有效的；
由于現在計數由數值自身存儲（PHP 有 zval 變量容器存儲），所以也就可以和非 zval 結構的數據共享，比如 zval 和 hashtable key 之間；
間接訪問需要的指針數減少了。

更具體的有關 PHP 7 zval 實現和內存優化細節可以閱讀 深入理解 PHP7 內核之 zval 和 Internal value representation in PHP 7 - Part 1譯。
參考資料
深入理解 PHP7 內核之 zval
Internal value representation in PHP 7 - Part 1【譯】
Internal value representation in PHP 7 - Part 2【譯】
TPIP：第六節 寫時復制（Copy On Write）
TPIP：內存管理
PHP7 內核之 zval
淺談 PHP5 中垃圾回收算法 (Garbage Collection) 的演化
Confusion about PHP 7 refcount
引用計數系統中的同步周期回收 (Concurrent Cycle Collection in Reference Counted Systems) 論文
PHP7 革新與性能優化