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【PHP7源碼分析】PHP內(nèi)存管理

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摘要:分頁管理先說說虛擬內(nèi)存的概念。每個存在的虛擬頁面都保存在某個區(qū)域中,不屬于任何一個區(qū)域的虛擬頁是不存在的,不能被進程使用內(nèi)核為系統(tǒng)中的每個進程維護一個多帶帶的任務結構,任務中的一個字段指向,他描述了虛擬內(nèi)存的當前狀態(tài)。

作者: 順風車運營研發(fā)團隊 李樂

第一章 從操作系統(tǒng)內(nèi)存管理說起

程序是代碼和數(shù)據(jù)的集合,進程是運行著的程序;操作系統(tǒng)需要為進程分配內(nèi)存;進程運行完畢需要釋放內(nèi)存;內(nèi)存管理就是內(nèi)存的分配和釋放;

1. 分段管理

分段最早出現(xiàn)在8086系統(tǒng)中,當時只有16位地址總線,其能訪問的最大地址是64k;當時的內(nèi)存大小為1M;如何利用16位地址訪問1M的內(nèi)存空間呢?

于是提出了分段式內(nèi)存管理;
將內(nèi)存地址分為段地址與段偏移,段地址會存儲在寄存器中,段偏移即程序?qū)嶋H使用的地址;當CPU需要訪問內(nèi)存時,會將段地址左移4位,再加上段偏移,即可得到物理內(nèi)存地址;
即內(nèi)存地址=段地址*16+段偏移地址。

后來的IA-32在內(nèi)存中使用一張段表來記錄各個段映射的物理內(nèi)存地址,CPU只需要為這個段表提供一個記錄其首地址的寄存器就可以了;如下圖所示:

進程包含多個段:代碼段,數(shù)據(jù)段,鏈接庫等;系統(tǒng)需要為每個段分配內(nèi)存;
一種很自然地想法是,根據(jù)每個段實際需要的大小進行分配,并記錄已經(jīng)占用的空間和剩余空間:
當一個段請求內(nèi)存時,如果有內(nèi)存中有很多大小不一的空閑位置,那么選擇哪個最合理?

a)首先適配:空閑鏈表中選擇第一個位置(優(yōu)點:查表速度快) 
b)最差適配:選擇一個最大的空閑區(qū)域 
c)最佳適配:選擇一個空閑位置大小和申請內(nèi)存大小最接近的位置,比如申請一個40k內(nèi)存,而恰巧內(nèi)存中有一個50k的空閑位置;

內(nèi)存分段管理具有以下優(yōu)點:

a)內(nèi)存共享: 對內(nèi)存分段,可以很容易把其中的代碼段或數(shù)據(jù)段共享給其他程序;
b)安全性: 將內(nèi)存分為不同的段之后,因為不同段的內(nèi)容類型不同,所以他們能進行的操作也不同,比如代碼段的內(nèi)容被加載后就不應該允許寫的操作,因為這樣會改變程序的行為
c)動態(tài)鏈接: 動態(tài)鏈接是指在作業(yè)運行之前,并不把幾個目標程序段鏈接起來。要運行時,先將主程序所對應的目標程序裝入內(nèi)存并啟動運行,當運行過程中又需要調(diào)用某段時,才將該段(目標程序)調(diào)入內(nèi)存并進行鏈接。

盡管分段管理的方式解決了內(nèi)存的分配與釋放,但是會帶來大量的內(nèi)存碎片;即盡管我們內(nèi)存中仍然存在很大空間,但全部都是一些零散的空間,當申請大塊內(nèi)存時會出現(xiàn)申請失敗;為了不使這些零散的空間浪費,操作系統(tǒng)會做內(nèi)存緊縮,即將內(nèi)存中的段移動到另一位置。但明顯移動進程是一個低效的操作。

2.分頁管理

先說說虛擬內(nèi)存的概念。CPU訪問物理內(nèi)存的速度要比磁盤快的多,物理內(nèi)存可以認為是磁盤的緩存,但物理內(nèi)存是有限的,于是人們想到利用磁盤空間虛擬出的一塊邏輯內(nèi)存
(這部分磁盤空間Windows下稱之為虛擬內(nèi)存,Linux下被稱為交換空間(Swap Space));

虛擬內(nèi)存和真實的物理內(nèi)存存在著映射關系;

為了解決分段管理帶來的碎片問題,操作系統(tǒng)將虛擬內(nèi)存分割為虛擬頁,相應的物理內(nèi)存被分割為物理頁;而虛擬頁和物理頁的大小默認都是4K字節(jié);

操作系統(tǒng)以頁為單位分配內(nèi)存:假設需要3k字節(jié)的內(nèi)存,操作系統(tǒng)會直接分配一個4K頁給進程
,這就產(chǎn)生了內(nèi)部碎片(浪費率優(yōu)于分段管理)

前面說過,物理內(nèi)存可以認為是磁盤的緩存;虛擬頁首先需要分配給進程并創(chuàng)建與物理頁的映射關系,然后才能將磁盤數(shù)據(jù)載入內(nèi)存供CPU使用;由此可見,虛擬內(nèi)存系統(tǒng)必須能夠記錄一個虛擬頁是否已經(jīng)分配給進程;是否已經(jīng)將磁盤數(shù)據(jù)載入內(nèi)存,對應哪個物理頁;假如沒有載入內(nèi)存,這個虛擬頁存放在磁盤的哪個位置;
于是虛擬頁可以分為三種類型:已分配,未緩存,已緩存;

當訪問沒有緩存的虛擬頁時,系統(tǒng)會在物理內(nèi)存中選擇一個犧牲頁,并將虛擬頁從磁盤賦值到物理內(nèi)存,替換這個犧牲頁;而如果這個犧牲頁已經(jīng)被修改,則還需要寫回磁盤;這個過程就是所謂的缺頁中斷;

虛擬頁的集合就稱為頁表(pageTable),頁表就是一個頁表條目(page table entry)的數(shù)組;每個頁表條目都包含有效位標志,記錄當前虛擬頁是否分配,當前虛擬頁的訪問控制權限;同時包含物理頁號或磁盤地址;

進程所看到的地址都是虛擬地址;在訪問虛擬地址時,操作系統(tǒng)需要將虛擬地址轉化為實際的物理地址;而虛擬地址到物理地址的映射是存儲在頁表的;

將虛擬地址分為兩部分:虛擬頁號,記錄虛擬頁在頁表中的偏移量(相當于數(shù)組索引);頁內(nèi)偏移量;而頁表的首地址是存儲在寄存器中;

對于32位系統(tǒng),內(nèi)存為4G,頁大小為4K,假設每個頁表項4字節(jié);則頁表包含1M個頁表項,占用4M的存儲空間,頁表本身就需要分配1K個物理頁;
頁表條目太大時,頁表本身需要占用更多的物理內(nèi)存,而且其內(nèi)存還必須是連續(xù)的;

目前有三種優(yōu)化技術:

1)多級頁表
一級頁表中的每個PTE負責映射虛擬地址空間中一個4M的片(chunk),每一個片由1024個連續(xù)的頁面組成;二級頁表的每個PTE都映射一個4K的虛擬內(nèi)存頁面;

優(yōu)點:節(jié)約內(nèi)存(假如一級頁表中的PTE為null,則其指向的二級頁表就不存在了,而大多數(shù)進程4G的虛擬地址空間大部分都是未分配的;只有一級頁表才總是需要在主存中,系統(tǒng)可以在需要的時候創(chuàng)建、調(diào)入、調(diào)出二級頁表)
缺點:虛擬地址到物理地址的翻譯更復雜了

2)TLB
多級頁表可以節(jié)約內(nèi)存,但是對于一次地址翻譯,增加了內(nèi)存訪問次數(shù),k級頁表,需要訪問k次內(nèi)存才能完成地址的翻譯;

由此出現(xiàn)了TLB:他是一個更小,訪問速度更快的虛擬地址的緩存;當需要翻譯虛擬地址時,先在TLB查找,命中的話就可以直接完成地址的翻譯;沒命中再頁表中查找;

3)hugePage

因為內(nèi)存大小是固定的,為了減少映射表的條目,可采取的辦法只有增加頁的尺寸。hugePage便因此而來,使用大頁面2m,4m,16m等等。如此一來映射條目則明顯減少。

3.linux虛擬內(nèi)存

linux為每個進程維護一個多帶帶的虛擬地址空間,進程都以為自己獨占了整個內(nèi)存空間,如圖所示:


linux將內(nèi)存組織為一些區(qū)域(段)的集合,如代碼段,數(shù)據(jù)段,堆,共享庫段,以及用戶棧都是不同的區(qū)域。每個存在的虛擬頁面都保存在某個區(qū)域中,不屬于任何一個區(qū)域的虛擬頁是不存在的,不能被進程使用;

內(nèi)核為系統(tǒng)中的每個進程維護一個多帶帶的任務結構task_struct,任務中的一個字段指向mm_struct,他描述了虛擬內(nèi)存的當前狀態(tài)。其中包含兩個字段:pgd指向第一級頁表的基址(當內(nèi)核運行這個進程時,就將pgd的內(nèi)容存儲在cr3控制寄存器中);mmap指向一個vm_area_struct區(qū)域結構的鏈表;區(qū)域結構主要包括以下字段:
vm_start:區(qū)域的起始地址;
vm_end:區(qū)域的結束地址;
vm_port:指向這個區(qū)域所包含頁的讀寫許可權限;
vm_flags:描述這個區(qū)域是與其他進程共享的,還是私有的等信息;

當我們訪問虛擬地址時,內(nèi)核會遍歷vm_area_struct鏈表,根據(jù)vm_start和vm_end能夠判斷地址合法性;根據(jù)vm_por能夠判斷地址訪問的合法性;
遍歷鏈表時間性能較差,內(nèi)核會將vm_area_struct區(qū)域組織成一棵樹;

說到這里就不得不提一下系統(tǒng)調(diào)用mmap,其函數(shù)聲明為

void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags , int fd , off_t offset )

函數(shù)mmap要求內(nèi)核創(chuàng)建一個新的虛擬內(nèi)存區(qū)域(注意是新的區(qū)域,和堆是平級關系,即mmap函數(shù)并不是在堆上分配內(nèi)存的,);最好是從地址addr開始(一般傳null),并將文件描述fd符指定的對象的一個連續(xù)的chunk(大小為len,從文件偏移offset開始)映射到這個新的區(qū)域;當fd傳-1時,可用于申請分配內(nèi)存;

參數(shù)port描述這個區(qū)域的訪問控制權限,可以取以下值:

PROT_EXEC //頁內(nèi)容可以被執(zhí)行
PROT_READ //頁內(nèi)容可以被讀取
PROT_WRITE //頁可以被寫入
PROT_NONE //頁不可訪問

參數(shù)flags由描述被映射對象類型的位組成,如MAP_SHARED 表示與其它所有映射這個對象的進程共享映射空間;MAP_PRIVATE 表示建立一個寫入時拷貝的私有映射,內(nèi)存區(qū)域的寫入不會影響到原文件。

php在分配2M以上大內(nèi)存時,就是直接使用mmap申請的;

第二章 說說內(nèi)存分配器

malloc是c庫函數(shù),用于在堆上分配內(nèi)存;操作系統(tǒng)給進程分配的堆空間是若干個頁,我們再調(diào)用malloc向進程請求分配若干字節(jié)大小的內(nèi)存;
malloc就是一種內(nèi)存分配器,負責堆內(nèi)存的分配與回收;

同樣我們可以使用mmap和munmap來創(chuàng)建和刪除虛擬內(nèi)存區(qū)域,以達到內(nèi)存的申請與釋放;

觀察第一章第三小節(jié)中的虛擬地址空間描述圖,每個進程都有一個稱為運行時堆的虛擬內(nèi)存區(qū)域,操作系統(tǒng)內(nèi)核維護著一個變量brk,指向了堆的頂部;并提供系統(tǒng)調(diào)用brk(void* addr)和sbrk(incr)來修改變量brk的值,從而實現(xiàn)堆內(nèi)存的擴張與收縮;

brk函數(shù)將brk指針直接設置為某個地址,而sbrk函數(shù)將brk從當前位置移動incr所指定的增量;(如果將incr設置為0,則可以獲得當前brk指向的地址)

因此我們也可以使用brk()或sbrk()來動態(tài)分配/釋放內(nèi)存塊;

需要注意的一點是:系統(tǒng)為每一個進程所分配的資源不是無限的,包括可映射的內(nèi)存空間,即堆內(nèi)存并不是無限大的;所以當調(diào)用malloc將堆內(nèi)存都分配完時,malloc會使用mmap函數(shù)額外再申請一個虛擬內(nèi)存區(qū)域(由此發(fā)現(xiàn),使用malloc申請的內(nèi)存也并不一定是在堆上)

1.內(nèi)存分配器設計思路

內(nèi)存分配器用于處理堆上的內(nèi)存分配或釋放請求;

要實現(xiàn)分配器必須考慮以下幾個問題:

1.空閑塊組織:如何記錄空閑塊;如何標記內(nèi)存塊是否空閑;
2.分配:如何選擇一個合適的空閑塊來處理分配請求;
3.分割:空閑塊一般情況會大于實際的分配請求,我們?nèi)绾翁幚磉@個空閑塊中的剩余部分;
4.回收:如何處理一個剛剛被釋放的塊;

思考1:空閑塊組織
內(nèi)存分配與釋放請求時完全隨機的,最終會造成堆內(nèi)存被分割為若干個內(nèi)存小塊,其中有些處于已分配狀態(tài),有些處于空閑狀態(tài);我們需要額外的空間來標記內(nèi)存狀態(tài)以及內(nèi)存塊大小;
下圖為malloc設計思路:

注:圖中顯示額外使用4字節(jié)記錄當前內(nèi)存塊屬性,其中3比特記錄是否空閑,29比特記錄內(nèi)存塊大小;實際malloc頭部格式可能會根據(jù)版本等調(diào)整;不論我們使用malloc分配多少字節(jié)的內(nèi)存,實際malloc分配的內(nèi)存都會多幾個字節(jié);
注:空閑內(nèi)存塊可能會被組織為一個鏈表結構,由此可以遍歷所有空閑內(nèi)存塊,直到查找到一個滿足條件的為止;

思考2:如何選擇合適的空閑塊
在處理內(nèi)存分配請求時,需要查找空閑內(nèi)存鏈表,找到一個滿足申請條件的空閑內(nèi)存塊,選擇什么查找算法;而且很有可能存在多個符合條件的空閑內(nèi)存塊,此時如何選擇?
目前有很多比較成熟的算法,如首次適配,最佳適配,最差適配等;

思考3:如何分配
在查找到滿足條件的空閑內(nèi)存塊時,此內(nèi)存一般情況會比實際請求分配的內(nèi)存空間要大;全部分配給用戶,浪費空間;因此一般會將此空閑內(nèi)存塊切割為兩個小塊內(nèi)存,一塊分配給用戶,一塊標記為新的空閑內(nèi)存

思考4:如何回收:
當用戶調(diào)用free()函數(shù)釋放內(nèi)存時,需要將此塊內(nèi)存重新標記為空閑內(nèi)存,并且插入空閑鏈表;然而需要注意的是,此塊內(nèi)存可能能夠與其他空閑內(nèi)存拼接為更大的空閑內(nèi)存;此時還需要算法來處理空閑內(nèi)存的合并;

思考5:內(nèi)存分配效率問題:
用戶請求分配內(nèi)存時,需要遍歷空閑內(nèi)存鏈表,直到查找到一個滿足申請條件的空閑內(nèi)存;由此可見,算法復雜度與鏈表長度成正比;
我們可以將空閑內(nèi)存按照空間大小組織為多個空閑鏈表,內(nèi)存大小相近的形成一個鏈表;此時只需要根據(jù)申請內(nèi)存大小查找相應空閑鏈表即可;
更進一步的,空閑內(nèi)存只會被切割為固定大小,如2^n字節(jié),每種字節(jié)大小的空閑內(nèi)存形成一個鏈表;(用戶實際分配的內(nèi)存是2^n字節(jié),大于用戶實際請求)

總結:任何內(nèi)存分配器都需要額外的空間(數(shù)據(jù)結構)記錄每個內(nèi)存塊大小及其分配狀態(tài);

第三章 內(nèi)存池

C/C++下內(nèi)存管理是讓幾乎每一個程序員頭疼的問題,分配足夠的內(nèi)存、追蹤內(nèi)存的分配、在不需要的時候釋放內(nèi)存——這個任務相當復雜。而直接使用系統(tǒng)調(diào)用malloc/free、new/delete進行內(nèi)存分配和釋放,有以下弊端:

調(diào)用malloc/new,系統(tǒng)需要根據(jù)“最先匹配”、“最優(yōu)匹配”或其他算法在內(nèi)存空閑塊表中查找一塊空閑內(nèi)存,調(diào)用free/delete,系統(tǒng)可能需要合并空閑內(nèi)存塊,這些都會產(chǎn)生額外的開銷;
頻繁使用時會產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片,從而降低程序運行效率;
容易造成內(nèi)存泄漏;

內(nèi)存池(memory pool)是代替直接調(diào)用malloc/free、new/delete進行內(nèi)存管理的常用方法,當我們申請內(nèi)存空間時,首先到我們的內(nèi)存池中查找合適的內(nèi)存塊,而不是直接向操作系統(tǒng)申請,優(yōu)勢在于:

比malloc/free進行內(nèi)存申請/釋放的方式快
不會產(chǎn)生或很少產(chǎn)生堆碎片
可避免內(nèi)存泄漏

內(nèi)存池一般會組織成如下結構:
結構中主要包含block、list 和pool這三個結構體,block結構包含指向?qū)嶋H內(nèi)存空間的指針,前向和后向指針讓block能夠組成雙向鏈表;list結構中free指針指向空閑 內(nèi)存塊組成的鏈表,used指針指向程序使用中的內(nèi)存塊組成的鏈表,size值為內(nèi)存塊的大小,list之間組成單向鏈表;pool結構記錄list鏈表的頭和尾。

當用戶申請內(nèi)存時,只需要根據(jù)所申請內(nèi)存的大小,遍歷list鏈表,查看是否存在相匹配的size;

第四章 切入主題——PHP內(nèi)存管理

PHP并沒有直接使用現(xiàn)有的malloc/free來管理內(nèi)存的分配和釋放,而是重新實現(xiàn)了一套內(nèi)存管理方案;

PHP采取“預分配方案”,提前向操作系統(tǒng)申請一個chunk(2M,利用到hugepage特性),并且將這2M內(nèi)存切割為不同規(guī)格(大小)的若干內(nèi)存塊,當程序申請內(nèi)存時,直接查找現(xiàn)有的空閑內(nèi)存塊即可;

PHP將內(nèi)存分配請求分為3種情況:

huge內(nèi)存:針對大于2M-4K的分配請求,直接調(diào)用mmap分配;

large內(nèi)存:針對小于2M-4K,大于3K的分配請求,在chunk上查找滿足條件的若干個連續(xù)page;

small內(nèi)存:針對小于3K的分配請求;PHP拿出若干個頁切割為8字節(jié)大小的內(nèi)存塊,拿出若干個頁切割為16字節(jié)大小的內(nèi)存塊,24字節(jié),32字節(jié)等等,將其組織成若干個空閑鏈表;每當有分配請求時,只在對應的空閑鏈表獲取一個內(nèi)存塊即可;

1.PHP內(nèi)存管理器數(shù)據(jù)模型

1.1結構體

PHP需要記錄申請的所有chunk,需要記錄chunk中page的使用情況,要記錄每種規(guī)格內(nèi)存的空閑鏈表,要記錄使用mmap分配的huge內(nèi)存,等等…………

于是有了以下兩個結構體:
_zend_mm_heap記錄著內(nèi)存管理器所需的所有數(shù)據(jù):

//省略了結構體中很多字段
struct _zend_mm_heap {
    //統(tǒng)計
    size_t             size;                    /* current memory usage */
    size_t             peak;                    /* peak memory usage */
    //由于“預分配”方案,實際使用內(nèi)存和向操作系統(tǒng)申請的內(nèi)存大小是不一樣的;
    size_t             real_size;               /* current size of allocated pages */
    size_t             real_peak;               /* peak size of allocated pages */
 
    //small內(nèi)存分為30種;free_slot數(shù)組長度為30;數(shù)組索引上掛著內(nèi)存空閑鏈表
    zend_mm_free_slot *free_slot[ZEND_MM_BINS]; /* free lists for small sizes */
 
    //內(nèi)存限制
    size_t             limit;                   /* memory limit */
    int                overflow;                /* memory overflow flag */
 
    //記錄已分配的huge內(nèi)存
    zend_mm_huge_list *huge_list;               /* list of huge allocated blocks */
 
    //PHP會分配若干chunk,記錄當前主chunk首地址
    zend_mm_chunk     *main_chunk;
     
    //統(tǒng)計chunk數(shù)目
    int                chunks_count;            /* number of alocated chunks */
    int                peak_chunks_count;       /* peak number of allocated chunks for current request */ 
}

_zend_mm_chunk記錄著當前chunk的所有數(shù)據(jù)

struct _zend_mm_chunk {
    //指向heap
    zend_mm_heap      *heap;
    //chunk組織為雙向鏈表
    zend_mm_chunk     *next;
    zend_mm_chunk     *prev;
    //當前chunk空閑page數(shù)目
    uint32_t           free_pages;              /* number of free pages */
    //當前chunk最后一個空閑的page位置
    uint32_t           free_tail;               /* number of free pages at the end of chunk */
    //每當申請一個新的chunk時,這個chunk的num會遞增
    uint32_t           num;
    //預留
    char               reserve[64 - (sizeof(void*) * 3 + sizeof(uint32_t) * 3)];
    //指向heap,只有main_chunk使用
    zend_mm_heap       heap_slot;               /* used only in main chunk */
    //記錄512個page的分配情況;0代表空閑,1代表已分配
    zend_mm_page_map   free_map;                /* 512 bits or 64 bytes */
    //記錄每個page的詳細信息,
    zend_mm_page_info  map[ZEND_MM_PAGES];      /* 2 KB = 512 * 4 */
};

1.2small內(nèi)存

前面講過small內(nèi)存分為30種規(guī)格,每種規(guī)格的空閑內(nèi)存都掛在_zend_mm_heap結構體的free_slot數(shù)組上;
30種規(guī)格內(nèi)存如下:

//宏定義:第一列表示序號(稱之為bin_num),第二列表示每個small內(nèi)存的大小(字節(jié)數(shù));
//第四列表示每次獲取多少個page;第三列表示將page分割為多少個大小為第一列的small內(nèi)存;
#define ZEND_MM_BINS_INFO(_, x, y) 
    _( 0,    8,  512, 1, x, y) 
    _( 1,   16,  256, 1, x, y) 
    _( 2,   24,  170, 1, x, y) 
    _( 3,   32,  128, 1, x, y) 
    _( 4,   40,  102, 1, x, y) 
    _( 5,   48,   85, 1, x, y) 
    _( 6,   56,   73, 1, x, y) 
    _( 7,   64,   64, 1, x, y) 
    _( 8,   80,   51, 1, x, y) 
    _( 9,   96,   42, 1, x, y) 
    _(10,  112,   36, 1, x, y) 
    _(11,  128,   32, 1, x, y) 
    _(12,  160,   25, 1, x, y) 
    _(13,  192,   21, 1, x, y) 
    _(14,  224,   18, 1, x, y) 
    _(15,  256,   16, 1, x, y) 
    _(16,  320,   64, 5, x, y) 
    _(17,  384,   32, 3, x, y) 
    _(18,  448,    9, 1, x, y) 
    _(19,  512,    8, 1, x, y) 
    _(20,  640,   32, 5, x, y) 
    _(21,  768,   16, 3, x, y) 
    _(22,  896,    9, 2, x, y) 
    _(23, 1024,    8, 2, x, y) 
    _(24, 1280,   16, 5, x, y) 
    _(25, 1536,    8, 3, x, y) 
    _(26, 1792,   16, 7, x, y) 
    _(27, 2048,    8, 4, x, y) 
    _(28, 2560,    8, 5, x, y) 
    _(29, 3072,    4, 3, x, y)
 
#endif /* ZEND_ALLOC_SIZES_H */

只有這個宏定義有些功能不好用程序?qū)崿F(xiàn),比如bin_num=15時,獲得此種small內(nèi)存的字節(jié)數(shù)?分配此種small內(nèi)存時需要多少page呢?
于是有了以下3個數(shù)組的定義:

//bin_pages是一維數(shù)組,數(shù)組大小為30,數(shù)組索引為bin_num,
//數(shù)組元素為ZEND_MM_BINS_INFO宏中的第四列
#define _BIN_DATA_PAGES(num, size, elements, pages, x, y) pages,
static const uint32_t bin_pages[] = {
  ZEND_MM_BINS_INFO(_BIN_DATA_PAGES, x, y)
};
//bin_elements是一維數(shù)組,數(shù)組大小為30,數(shù)組索引為bin_num,
//數(shù)組元素為ZEND_MM_BINS_INFO宏中的第三列
#define _BIN_DATA_ELEMENTS(num, size, elements, pages, x, y) elements,
static const uint32_t bin_elements[] = {
  ZEND_MM_BINS_INFO(_BIN_DATA_ELEMENTS, x, y)
};
//bin_data_size是一維數(shù)組,數(shù)組大小為30,數(shù)組索引為bin_num,
//數(shù)組元素為ZEND_MM_BINS_INFO宏中的第二列
#define _BIN_DATA_SIZE(num, size, elements, pages, x, y) size,
static const uint32_t bin_data_size[] = {
  ZEND_MM_BINS_INFO(_BIN_DATA_SIZE, x, y)
};
2.PHP small內(nèi)存分配方案

2.1設計思路

上一節(jié)提到PHP將small內(nèi)存分為30種不同大小的規(guī)格;
每種大小規(guī)格的空閑內(nèi)存會組織為鏈表,掛在數(shù)組_zend_mm_heap結構體的free_slot[bin_num]索引上;

回顧下free_slot字段的定義:

zend_mm_free_slot *free_slot[ZEND_MM_BINS];
 
struct zend_mm_free_slot {
    zend_mm_free_slot *next_free_slot;
};

可以看出空閑內(nèi)存鏈表的每個節(jié)點都是一個zend_mm_free_slot結構體,其只有一個next指針字段;

思考:對于8字節(jié)大小的內(nèi)存塊,其next指針就需要占8字節(jié)的空間,那用戶的數(shù)據(jù)存儲在哪里呢?
答案:free_slot是small內(nèi)存的空閑鏈表,空閑指的是未分配內(nèi)存,此時是不需要存儲其他數(shù)據(jù)的;當分配給用戶時,此節(jié)點會從空閑鏈表刪除,也就不需要維護next指針了;用戶可以在8字節(jié)里存儲任何數(shù)據(jù);

思考:假設調(diào)用 void*ptr=emalloc(8)分配了一塊內(nèi)存;調(diào)用efree(ptr)釋放內(nèi)存時,PHP如何知道這塊內(nèi)存的字節(jié)數(shù)呢?如何知道這塊內(nèi)存應該插入哪個空閑鏈表呢?
思考1:第二章指出,任何內(nèi)存分配器都需要額外的數(shù)據(jù)結構來標志其管理的每一塊內(nèi)存:空閑/已分配,內(nèi)存大小等;PHP也不例外;可是我們發(fā)現(xiàn)使用emalloc(8)分配內(nèi)存時,其分配的就只是8字節(jié)的內(nèi)存,并沒有額外的空間來存儲這塊內(nèi)存的任何屬性;
思考2:觀察small內(nèi)存宏定義ZEND_MM_BINS_INFO;我們發(fā)現(xiàn)對于每一個page,其只可能被分配為同一種規(guī)格;不可能存在一部分分割為8字節(jié)大小,一部分分割為16字節(jié)大小;也就是說每一個page的所有small內(nèi)存塊屬性是相同的;那么只需要記錄每一個page的屬性即可;
思考3:large內(nèi)存是同樣的思路;申請large內(nèi)存時,可能需要占若干個page的空間;但是同一個page只會屬于一個large內(nèi)存,不可能將一個page的一部分分給某個large內(nèi)存;
答案:不管page用于small內(nèi)存還是large內(nèi)存分配,只需要記錄每一個page的屬性即可,PHP將其記錄在zend_mm_chunk結構體的zend_mm_page_info map[ZEND_MM_PAGES]字段;長度為512的int數(shù)組;對任一塊內(nèi)存,只要能計算出屬于哪一個頁,就能得到其屬性(內(nèi)存大小);

2.2入口API

//內(nèi)存分配對外統(tǒng)一入口API為_emalloc;函數(shù)內(nèi)部直接調(diào)用zend_mm_alloc_heap,
//其第一個參數(shù)就是zend_mm_heap結構體(全局只有一個),第二個參數(shù)就是請求分配內(nèi)存大小
void*  _emalloc(size_t size)
{
    return zend_mm_alloc_heap(AG(mm_heap), size);
}
//可以看出其根據(jù)請求內(nèi)存大小size判斷分配small內(nèi)存還是large內(nèi)存,還是huge內(nèi)存
static void *zend_mm_alloc_heap(zend_mm_heap *heap, size_t size)
{
    void *ptr;
 
    if (size <= ZEND_MM_MAX_SMALL_SIZE) {
        
        ptr = zend_mm_alloc_small(heap, size, ZEND_MM_SMALL_SIZE_TO_BIN(size));   
        //注意ZEND_MM_SMALL_SIZE_TO_BIN這個宏定義
        
        return ptr;
    } else if (size <= ZEND_MM_MAX_LARGE_SIZE) {
        ptr = zend_mm_alloc_large(heap, size);
        return ptr;
    } else {
        return zend_mm_alloc_huge(heap, size);
    }
}
 
 //使用到的宏定義如下
#define ZEND_MM_CHUNK_SIZE (2 * 1024 * 1024)               /* 2 MB  */
#define ZEND_MM_PAGE_SIZE  (4 * 1024)                      /* 4 KB  */
#define ZEND_MM_PAGES      (ZEND_MM_CHUNK_SIZE / ZEND_MM_PAGE_SIZE)  /* 512 */
#define ZEND_MM_FIRST_PAGE (1)
#define ZEND_MM_MAX_SMALL_SIZE      3072
#define ZEND_MM_MAX_LARGE_SIZE      (ZEND_MM_CHUNK_SIZE - (ZEND_MM_PAGE_SIZE * ZEND_MM_FIRST_PAGE))

2.3計算規(guī)格(bin_num)

我們發(fā)現(xiàn)在調(diào)用zend_mm_alloc_small時,使用到了ZEND_MM_SMALL_SIZE_TO_BIN,其定義了一個函數(shù),用于將size轉換為bin_num;即請求7字節(jié)時,實際需要分配8字節(jié),bin_num=1;請求37字節(jié)時,實際需要分配40字節(jié),bin_num=4;即根據(jù)請求的size計算滿足條件的最小small內(nèi)存規(guī)格的bin_num;

#define ZEND_MM_SMALL_SIZE_TO_BIN(size)  zend_mm_small_size_to_bin(size)
 
static zend_always_inline int zend_mm_small_size_to_bin(size_t size)
{
 
    unsigned int t1, t2;
 
    if (size <= 64) {
        /* we need to support size == 0 ... */
        return (size - !!size) >> 3;
    } else {
        t1 = size - 1;
        t2 = zend_mm_small_size_to_bit(t1) - 3;
        t1 = t1 >> t2;
        t2 = t2 - 3;
        t2 = t2 << 2;
        return (int)(t1 + t2);
        //看到這一堆t1,t2,腦子里只有一個問題:我是誰,我在哪,這是啥;
    }
}

1)先分析size小于64情況:看看small內(nèi)存前8組大小定義,8,16,24,32,48,56,64;很簡單,就是等差數(shù)列,遞增8;所以對于每個size只要除以8就可以了(右移3位);但是對于size=8,16,24,32,40,48,56,64這些值,需要size-1然后除以8才滿足;考慮到size=0的情況,于是有了(size - !!size) >> 3這個表達式;

2)當size大于64時,情況就復雜了:small內(nèi)存的字節(jié)數(shù)變化為,64,80,96,112,128,160,192,224,256,320,384,448,512……;遞增16,遞增32,遞增64……;

還是先看看二進制吧:

我們將size每4個分為一組,第一組比特序列長度為7,第二組比特序列長度為8,……;(即我們可以根據(jù)比特序列長度獲得sise屬于哪一組;思考一下,遞增16,32時,為什么只會加四次呢?)

那我們可以這么算:1)計算出size屬于第幾組;2)計算size在組內(nèi)的偏移量;3)計算組開始位置。思路就是這樣,但是計算方法并不統(tǒng)一,只要找規(guī)律計算出來即可。

//計算當前size屬于哪一組;也就是計算比特序列長度;也就是計算最高位是1的位置;
 
//從低到高位查找也行,O(n)復雜度;使用二分查號,復雜度log(n)
 
//size最大為3072(不知道的回去看small內(nèi)存宏定義);將size的二進制看成16比特的序列;
//先按照8二分,再按照4或12二分,再按照2/6/10/16二分……
 
//思路:size與255比較(0xff)比較,如果小于,說明高8位全是0,只需要在低8位查找即可;
//…………
 
/* higher set bit number (0->N/A, 1->1, 2->2, 4->3, 8->4, 127->7, 128->8 etc) */
static zend_always_inline int zend_mm_small_size_to_bit(int size)
{
    int n = 16;
    if (size <= 0x00ff) {n -= 8; size = size << 8;}
    if (size <= 0x0fff) {n -= 4; size = size << 4;}
    if (size <= 0x3fff) {n -= 2; size = size << 2;}
    if (size <= 0x7fff) {n -= 1;}
    return n;
}

2.4開始分配了

前面說過small空閑內(nèi)存會形成鏈表,掛在zen_mm_heap字段free_slot[bin_num]上;

最初請求分配時,free_slot[bin_num]可能還沒有初始化,指向null;此時需要向chunk分配若干頁,將頁分割為大小相同的內(nèi)存塊,形成鏈表,掛在free_slot[bin_num]

static zend_always_inline void *zend_mm_alloc_small(zend_mm_heap *heap, size_t size, int bin_num)
{
    //空閑鏈表不為null,直接分配
    if (EXPECTED(heap->free_slot[bin_num] != NULL)) {
        zend_mm_free_slot *p = heap->free_slot[bin_num];
        heap->free_slot[bin_num] = p->next_free_slot;
        return (void*)p;
    } else {
    //先分配頁
        return zend_mm_alloc_small_slow(heap, bin_num;
    }
}
//分配頁;切割;形成鏈表
static zend_never_inline void *zend_mm_alloc_small_slow(zend_mm_heap *heap, uint32_t bin_num)
{
    zend_mm_chunk *chunk;
    int page_num;
    zend_mm_bin *bin;
    zend_mm_free_slot *p, *end;
 
    //分配頁(頁數(shù)目是small內(nèi)存宏定義第四列);放在下一節(jié)large內(nèi)存分配講解
    bin = (zend_mm_bin*)zend_mm_alloc_pages(heap, bin_pages[bin_num]);
 
    if (UNEXPECTED(bin == NULL)) {
        /* insufficient memory */
        return NULL;
    }
     
    //之前提過任何內(nèi)存分配器都需要額外的數(shù)據(jù)結構記錄每塊內(nèi)存的屬性;分析發(fā)現(xiàn)PHP每個page的所有內(nèi)存塊屬性都是相同的;且存儲在zend_mm_chunk結構體的map字段(512個int)
    //bin即頁的首地址;需要計算bin是當前chunk的第幾頁:1)得到chunk首地址;2)得到bin相對chunk首地址偏移量;3)除以頁大小
    chunk = (zend_mm_chunk*)ZEND_MM_ALIGNED_BASE(bin, ZEND_MM_CHUNK_SIZE);
    page_num = ZEND_MM_ALIGNED_OFFSET(bin, ZEND_MM_CHUNK_SIZE) / ZEND_MM_PAGE_SIZE;
     
    //記錄頁屬性;后面分析(對于分配的每個頁都要記錄屬性)
    chunk->map[page_num] = ZEND_MM_SRUN(bin_num);
    if (bin_pages[bin_num] > 1) {
        uint32_t i = 1;
 
        do {
            chunk->map[page_num+i] = ZEND_MM_NRUN(bin_num, i);
            i++;
        } while (i < bin_pages[bin_num]);
    }
 
    //切割內(nèi)存;形成鏈表(bin_data_size,bin_elements是上面介紹過的small內(nèi)存相關數(shù)組)
    end = (zend_mm_free_slot*)((char*)bin + (bin_data_size[bin_num] * (bin_elements[bin_num] - 1)));
    heap->free_slot[bin_num] = p = (zend_mm_free_slot*)((char*)bin + bin_data_size[bin_num]);
    do {
        p->next_free_slot = (zend_mm_free_slot*)((char*)p + bin_data_size[bin_num]);
        p = (zend_mm_free_slot*)((char*)p + bin_data_size[bin_num]);
    } while (p != end);
 
    /* terminate list using NULL */
    p->next_free_slot = NULL;
 
    /* return first element */
    return (char*)bin;
}

2.5說說記錄頁屬性的map

1)對任意地址p,如何計算頁號?

地址p減去chunk首地址獲得偏移量;偏移量除4K即可;問題是如何獲得chunk首地址?我們看看源碼:

chunk = (zend_mm_chunk*)ZEND_MM_ALIGNED_BASE(bin, ZEND_MM_CHUNK_SIZE);
page_num = ZEND_MM_ALIGNED_OFFSET(bin, ZEND_MM_CHUNK_SIZE) / ZEND_MM_PAGE_SIZE;
 
#define ZEND_MM_ALIGNED_OFFSET(size, alignment) 
    (((size_t)(size)) & ((alignment) - 1))
#define ZEND_MM_ALIGNED_BASE(size, alignment) 
    (((size_t)(size)) & ~((alignment) - 1))
#define ZEND_MM_SIZE_TO_NUM(size, alignment) 
    (((size_t)(size) + ((alignment) - 1)) / (alignment))

我們發(fā)現(xiàn)計算偏移量或chunk首地址時,需要兩個參數(shù):size,地址p;alignment,調(diào)用時傳的是ZEND_MM_CHUNK_SIZE(2M);

其實PHP在申請chunk時,額外添加了一個條件:chunk首地址2M字節(jié)對齊;

如圖,2M字節(jié)對齊時,給定任意地址p,p的低21位即地址p相對于chunk首地址的偏移量;

那如何保證chunk首地址2M字節(jié)對齊呢?分析源碼:

//chunk大小為size 2M;chunk首地址對齊方式 2M
static void *zend_mm_chunk_alloc_int(size_t size, size_t alignment)
{
    void *ptr = zend_mm_mmap(size);
 
    if (ptr == NULL) {
        return NULL;
    } else if (ZEND_MM_ALIGNED_OFFSET(ptr, alignment) == 0) { //2M對齊,直接返回
        return ptr;
    } else {
        size_t offset;
 
        //沒有2M對齊,先釋放,再重新分配2M+2M-4K空間
        //重新分配大小為2M+2M也是可以的(減4K是因為操作系統(tǒng)分配內(nèi)存按頁分配的,頁大小4k)
        //此時總能定位一段2M的內(nèi)存空間,且首地址2M對齊
        zend_mm_munmap(ptr, size);
        ptr = zend_mm_mmap(size + alignment - REAL_PAGE_SIZE);
 
        //分配了2M+2M-4K空間,需要釋放前面、后面部分空間。只保留中間按2M字節(jié)對齊的chunk即可
        offset = ZEND_MM_ALIGNED_OFFSET(ptr, alignment);
        if (offset != 0) {
            offset = alignment - offset;
            zend_mm_munmap(ptr, offset);
            ptr = (char*)ptr + offset;
            alignment -= offset;
        }
        if (alignment > REAL_PAGE_SIZE) {
            zend_mm_munmap((char*)ptr + size, alignment - REAL_PAGE_SIZE);
        }
        return ptr;
    }
}
//理論分析,申請2M空間,能直接2M字節(jié)對齊的概率很低;但是實驗發(fā)現(xiàn),概率還是蠻高的,這可能與內(nèi)核分配內(nèi)存有關;

2)每個頁都需要記錄哪些屬性?

chunk里的某個頁,可以分配為large內(nèi)存,large內(nèi)存連續(xù)占多少個頁;可以分配為small內(nèi)存,對應的是哪種規(guī)格的small內(nèi)存(bin_num)

//29-31比特表示當前頁分配為small還是large
//當前頁用于large內(nèi)存分配
#define ZEND_MM_IS_LRUN                  0x40000000
//當前頁用于small內(nèi)存分配
#define ZEND_MM_IS_SRUN                  0x80000000
 
//對于large內(nèi)存,0-9比特表示分配的頁數(shù)目
#define ZEND_MM_LRUN_PAGES_MASK          0x000003ff
#define ZEND_MM_LRUN_PAGES_OFFSET        0
 
//對于small內(nèi)存,0-4比特表示bin_num
#define ZEND_MM_SRUN_BIN_NUM_MASK        0x0000001f
#define ZEND_MM_SRUN_BIN_NUM_OFFSET      0
 
//count即large內(nèi)存占了多少個頁
#define ZEND_MM_LRUN(count)              (ZEND_MM_IS_LRUN | ((count) << ZEND_MM_LRUN_PAGES_OFFSET))
#define ZEND_MM_SRUN(bin_num)            (ZEND_MM_IS_SRUN | ((bin_num) << ZEND_MM_SRUN_BIN_NUM_OFFSET))

再回顧一下small內(nèi)存30種規(guī)格的宏定義,bin_num=16、17、20-29時,需要分配大于1個頁;此時不僅需要記錄bin_num,還需要記錄其對應的頁數(shù)目

#define ZEND_MM_SRUN_BIN_NUM_MASK        0x0000001f
#define ZEND_MM_SRUN_BIN_NUM_OFFSET      0
 
#define ZEND_MM_SRUN_FREE_COUNTER_MASK   0x01ff0000
#define ZEND_MM_SRUN_FREE_COUNTER_OFFSET 16
 
#define ZEND_MM_NRUN_OFFSET_MASK         0x01ff0000
#define ZEND_MM_NRUN_OFFSET_OFFSET       16
 
//當前頁分配為small內(nèi)存;0-4比特存儲bin_num;16-25存儲當前規(guī)格需要分配的頁數(shù)目;
#define ZEND_MM_SRUN_EX(bin_num, count)  (ZEND_MM_IS_SRUN | ((bin_num) << ZEND_MM_SRUN_BIN_NUM_OFFSET) |
        ((count) << ZEND_MM_SRUN_FREE_COUNTER_OFFSET))
 
//29-31比特表示同時屬于small內(nèi)存和large內(nèi)存;0-4比特存儲bin_num;16-25存儲偏移量
//對于bin_num=29,需要分配3個頁,假設為10,11,12號頁
//map[10]=ZEND_MM_SRUN_EX(29,3);map[11]=ZEND_MM_NRUN(29,1);map[12]=ZEND_MM_NRUN(29,2);
#define ZEND_MM_NRUN(bin_num, offset)    (ZEND_MM_IS_SRUN | ZEND_MM_IS_LRUN | ((bin_num) << ZEND_MM_SRUN_BIN_NUM_OFFSET) |
        ((offset) << ZEND_MM_NRUN_OFFSET_OFFSET))
3.large內(nèi)存分配:

需要從chunk中查找連續(xù)pages_count個空閑的頁;zend_mm_chunk結構體的free_map為512個比特,記錄著每個頁空閑還是已分配;

以64位機器為例,free_map又被分為8組;每組64比特,看作uint32_t類型;

#define ZEND_MM_CHUNK_SIZE (2 * 1024 * 1024)               /* 2 MB  */
#define ZEND_MM_PAGE_SIZE  (4 * 1024)                      /* 4 KB  */
#define ZEND_MM_PAGES      (ZEND_MM_CHUNK_SIZE / ZEND_MM_PAGE_SIZE)  /* 512 */
 
typedef zend_ulong zend_mm_bitset;    /* 4-byte or 8-byte integer */
 
#define ZEND_MM_BITSET_LEN      (sizeof(zend_mm_bitset) * 8)       /* 32 or 64 */
#define ZEND_MM_PAGE_MAP_LEN    (ZEND_MM_PAGES / ZEND_MM_BITSET_LEN) /* 16 or 8 */
static void *zend_mm_alloc_pages(zend_mm_heap *heap, uint32_t pages_count)
{
    //獲取main_chunk
    zend_mm_chunk *chunk = heap->main_chunk;
    uint32_t page_num, len;
    int steps = 0;
 
    //其實就是最佳適配算法
    while (1) {
        //free_pages記錄當前chunk的空閑頁數(shù)目
        if (UNEXPECTED(chunk->free_pages < pages_count)) {
            goto not_found;
        } else {
            /* Best-Fit Search */
            int best = -1;
            uint32_t best_len = ZEND_MM_PAGES;
 
            //從free_tail位置開始,后面得頁都是空閑的
            uint32_t free_tail = chunk->free_tail;
            zend_mm_bitset *bitset = chunk->free_map;
            zend_mm_bitset tmp = *(bitset++);
            uint32_t i = 0;
            //從第一組開始遍歷;查找若干連續(xù)空閑頁;i實際每次遞增64;
            //最佳適配算法;查找到滿足條件的間隙,空閑頁數(shù)目大于pages_count;
            //best記錄間隙首位置;best_len記錄間隙空閑頁數(shù)目
            while (1) {
                //注意:(zend_mm_bitset)-1,表示將-1強制類型轉換為64位無符號整數(shù),即64位全1(表示當前組的頁全被分配了)
                while (tmp == (zend_mm_bitset)-1) {
                    i += ZEND_MM_BITSET_LEN;
                    if (i == ZEND_MM_PAGES) {
                        if (best > 0) {
                            page_num = best;
                            goto found;
                        } else {
                            goto not_found;
                        }
                    }
                    tmp = *(bitset++); //當前組的所有頁都分配了,遞增到下一組
                }
                //每一個空閑間隙,肯定有若干個比特0,查找第一個比特0的位置:
                //假設當前tmp=01111111(低7位全1,高位全0);則zend_mm_bitset_nts函數(shù)返回8
                page_num = i + zend_mm_bitset_nts(tmp); 函數(shù)實現(xiàn)后面分析
                 
                //tmp+1->10000000;  tmp&(tmp+1)  其實就是把tmp的低8位全部置0,只保留高位
                tmp &= tmp + 1;
                 
                //如果此時tmp == 0,說明從第個頁page_num到當前組最后一個頁,都是未分配的;
                //否則,需要找出這個空閑間隙另外一個0的位置,相減才可以得出空閑間隙頁數(shù)目
                while (tmp == 0) {
                    i += ZEND_MM_BITSET_LEN; //i+64,如果超出free_tail或者512,說明從page_num開始后面所有頁都是空閑的;否則遍歷下一組
                    if (i >= free_tail || i == ZEND_MM_PAGES) {
                        len = ZEND_MM_PAGES - page_num;
                        if (len >= pages_count && len < best_len) {   //從page_num處開始后面頁都空閑,且剩余頁數(shù)目小于已經(jīng)查找到的連續(xù)空閑頁數(shù)目,直接分配
                            chunk->free_tail = page_num + pages_count;
                            goto found;
                        } else {  //當前空閑間隙頁不滿足條件
                              
                            chunk->free_tail = page_num;
                            if (best > 0) { //之前有查找到空閑間隙符合分配條件
                                page_num = best;
                                goto found;
                            } else {  //之前沒有查找到空閑頁滿足條件,說明失敗
                                goto not_found;
                            }
                        }
                    }
                    tmp = *(bitset++); //遍歷下一組
                }
                 
                //假設最初tmp=1111000001111000111111,tmp&=tmp+1后,tmp=1111000001111000 000000
                //上面while循環(huán)進不去;且page_num=7+i;
                //此時需從低到高位查找第一個1比特位置,為11,11+i-(7+i)=4,即是連續(xù)空閑頁數(shù)目
                len = i + zend_ulong_ntz(tmp) - page_num;
                if (len >= pages_count) { //滿足分配條件,記錄
                    if (len == pages_count) {
                        goto found;
                    } else if (len < best_len) {
                        best_len = len;
                        best = page_num;
                    }
                }
                 
                //上面計算后tmp=1111000001111000 000000;發(fā)現(xiàn)這一組還有一個空閑間隙,擁有5個空閑頁,下一個循環(huán)肯定需要查找出來;
                //而目前低10比特其實已經(jīng)查找過了,那么需要將低10比特全部置1,以防再次查找到;
                //tmp-1:1111000001110111 111111; tmp |= tmp - 1:1111000001111111 111111
                tmp |= tmp - 1;
            }
        }
 
not_found:
        ………………
found:
     
    //查找到滿足條件的連續(xù)頁,設置從page_num開始pages_count個頁為已分配
    chunk->free_pages -= pages_count;
    zend_mm_bitset_set_range(chunk->free_map, page_num, pages_count);
    //標志當前頁用于large內(nèi)存分配,分配數(shù)目為pages_count
    chunk->map[page_num] = ZEND_MM_LRUN(pages_count);
    //更新free_tail
    if (page_num == chunk->free_tail) {
        chunk->free_tail = page_num + pages_count;
    }
    //返回當前第一個page的首地址
    return ZEND_MM_PAGE_ADDR(chunk, page_num);
}
 
//4K大小的字節(jié)數(shù)組
struct zend_mm_page {
    char               bytes[ZEND_MM_PAGE_SIZE];
};
 
//偏移page_num*4K
#define ZEND_MM_PAGE_ADDR(chunk, page_num) 
    ((void*)(((zend_mm_page*)(chunk)) + (page_num)))

看看PHP是如何高效查找0比特位置的:依然是二分查找

static zend_always_inline int zend_mm_bitset_nts(zend_mm_bitset bitset)
{
    int n=0;
//64位機器才會執(zhí)行
#if SIZEOF_ZEND_LONG == 8
    if (sizeof(zend_mm_bitset) == 8) {
        if ((bitset & 0xffffffff) == 0xffffffff) {n += 32; bitset = bitset >> Z_UL(32);}
    }
#endif
    if ((bitset & 0x0000ffff) == 0x0000ffff) {n += 16; bitset = bitset >> 16;}
    if ((bitset & 0x000000ff) == 0x000000ff) {n +=  8; bitset = bitset >>  8;}
    if ((bitset & 0x0000000f) == 0x0000000f) {n +=  4; bitset = bitset >>  4;}
    if ((bitset & 0x00000003) == 0x00000003) {n +=  2; bitset = bitset >>  2;}
    return n + (bitset & 1);
}
4.huge內(nèi)存分配:
//
#define ZEND_MM_ALIGNED_SIZE_EX(size, alignment) 
    (((size) + ((alignment) - Z_L(1))) & ~((alignment) - Z_L(1)))
 
//會將size擴展為2M字節(jié)的整數(shù)倍;直接調(diào)用分配chunk的函數(shù)申請內(nèi)存
//huge內(nèi)存以n*2M字節(jié)對齊的
static void *zend_mm_alloc_huge(zend_mm_heap *heap, size_t size)
{
    size_t new_size = ZEND_MM_ALIGNED_SIZE_EX(size, MAX(REAL_PAGE_SIZE, ZEND_MM_CHUNK_SIZE));
     
    void *ptr = zend_mm_chunk_alloc(heap, new_size, ZEND_MM_CHUNK_SIZE);
    return ptr;
}
5.內(nèi)存釋放
ZEND_API void ZEND_FASTCALL _efree(void *ptr)
{
    zend_mm_free_heap(AG(mm_heap), ptr);
}
 
static zend_always_inline void zend_mm_free_heap(zend_mm_heap *heap, void *ptr)
{
    //計算當前地址ptr相對于chunk的偏移
    size_t page_offset = ZEND_MM_ALIGNED_OFFSET(ptr, ZEND_MM_CHUNK_SIZE);
 
    //偏移為0,說明是huge內(nèi)存,直接釋放
    if (UNEXPECTED(page_offset == 0)) {
        if (ptr != NULL) {
            zend_mm_free_huge(heap, ptr);
        }
    } else {
        //計算chunk首地址
        zend_mm_chunk *chunk = (zend_mm_chunk*)ZEND_MM_ALIGNED_BASE(ptr, ZEND_MM_CHUNK_SIZE);
        //計算頁號
        int page_num = (int)(page_offset / ZEND_MM_PAGE_SIZE);
        //獲得頁屬性信息
        zend_mm_page_info info = chunk->map[page_num];
 
        //small內(nèi)存
        if (EXPECTED(info & ZEND_MM_IS_SRUN)) {
            zend_mm_free_small(heap, ptr, ZEND_MM_SRUN_BIN_NUM(info));
        }
        //large內(nèi)存
        else /* if (info & ZEND_MM_IS_LRUN) */ {
            int pages_count = ZEND_MM_LRUN_PAGES(info);
             //將頁標記為空閑
            zend_mm_free_large(heap, chunk, page_num, pages_count);
        }
    }
}

static zend_always_inline void zend_mm_free_small(zend_mm_heap *heap, void *ptr, int bin_num)
{
    zend_mm_free_slot *p;
    //插入空閑鏈表頭部即可
    p = (zend_mm_free_slot*)ptr;
    p->next_free_slot = heap->free_slot[bin_num];
    heap->free_slot[bin_num] = p;
}


6.zend_mm_heap和zend_mm_chunk

PHP有一個全局唯一的zend_mm_heap,其是zend_mm_chunk一個字段;

zend_mm_chunk至少需要空間2k+;和zend_mm_chunk存儲在哪里?

這兩個結構體其實是存儲在chunk的第一個頁,即chunk的第一個頁始終是分配的,且用戶不能申請的;

申請的多個chunk之間是形成雙向鏈表的;如下圖所示:

static zend_mm_heap *zend_mm_init(void)
{
    //將分配的2M空間,強制轉換為zend_mm_chunk*;并初始化zend_mm_chunk結構體
    zend_mm_chunk *chunk = (zend_mm_chunk*)zend_mm_chunk_alloc_int(ZEND_MM_CHUNK_SIZE, ZEND_MM_CHUNK_SIZE);
    zend_mm_heap *heap;
 
    heap = &chunk->heap_slot;
    chunk->heap = heap;
    chunk->next = chunk;
    chunk->prev = chunk;
    chunk->free_pages = ZEND_MM_PAGES - ZEND_MM_FIRST_PAGE;
    chunk->free_tail = ZEND_MM_FIRST_PAGE;
    chunk->num = 0;
    chunk->free_map[0] = (Z_L(1) << ZEND_MM_FIRST_PAGE) - 1;
    chunk->map[0] = ZEND_MM_LRUN(ZEND_MM_FIRST_PAGE);
    heap->main_chunk = chunk;
    heap->cached_chunks = NULL;
    heap->chunks_count = 1;
    heap->peak_chunks_count = 1;
    heap->cached_chunks_count = 0;
    heap->avg_chunks_count = 1.0;
    heap->last_chunks_delete_boundary = 0;
    heap->last_chunks_delete_count = 0;
    heap->huge_list = NULL;
    return heap;
}
7. PHP內(nèi)存管理器初始化流程:

PHP虛擬機什么時候初始化內(nèi)管理器呢?heap與chunk又是什么時候初始化呢?
下圖為PHP內(nèi)存管理器初始化流程;
有興趣同學可以在相關函數(shù)處加斷點,跟蹤內(nèi)存管理器初始化流程;

8. PHP內(nèi)存管理總結:

1)需要明白一點:任何內(nèi)存分配器都需要額外的數(shù)據(jù)結構來記錄內(nèi)存的分配情況;

2)內(nèi)存池是代替直接調(diào)用malloc/free、new/delete進行內(nèi)存管理的常用方法;內(nèi)存池中空閑內(nèi)存塊組織為鏈表結果,申請內(nèi)存只需要查找空閑鏈表即可,釋放內(nèi)存需要將內(nèi)存塊重新插入空閑鏈表;

3)PHP采用預分配內(nèi)存策略,提前向操作系統(tǒng)分配2M字節(jié)大小內(nèi)存,稱為chunk;同時將內(nèi)存分配請求根據(jù)字節(jié)大小分為small、huge、large三種;

4)small內(nèi)存,采用“分離存儲”思想;將空閑內(nèi)存塊按照字節(jié)大小組織為多個空閑鏈表;

5)large內(nèi)存每次回分配連續(xù)若干個頁,采用最佳適配算法;

6)huge內(nèi)存直接使用mmap函數(shù)向操作系統(tǒng)申請內(nèi)存(申請大小是2M字節(jié)整數(shù)倍);

7)chunk中的每個頁只會被切割為相同規(guī)格的內(nèi)存塊;所以不需要再每個內(nèi)存塊添加頭部,只需要記錄每個頁的屬性即可;

8)如何方便根據(jù)地址計算當前內(nèi)存塊屬于chunk中的哪一個頁?PHP分配的chunk都是2M字節(jié)對齊的,任意地址的低21位即是相對chunk首地址,除以頁大小則可獲得頁號;

結束語

本文首先簡單介紹了計算機操作系統(tǒng)內(nèi)存相關知識,然后描述了malloc內(nèi)存分配器設計思路,以及內(nèi)存池的簡單理論;最后從源碼層面詳細分析了PHP內(nèi)存管理器的實現(xiàn);相信通過這篇文章,大家對內(nèi)存管理頁有了一定的了解;
對于PHP源碼有興趣的同學,歡迎加入我們的微信群,我們可以一起探討與學習;

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