PHP內核之zval

這篇文章主要介紹的內容是關於PHP核心之zval，有著一定的參考價值，現在分享給大家，有需要的朋友可以參考一下

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作者：Twei 主頁

前言

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之前面試的時候面試官問過php中變數是如何實現的，遺憾的是只答道了大概是用結構體實現的。這篇文章是谷歌之後覺得總結 的比較到位的，故轉載進而學習之。

正文

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PHP中的資料型別

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#相對於C、 C 、 Java等其他程式語言，PHP 是一個弱型別的語言，表示當我們要使用一個變數時，不需要去宣告它的型別。這個特性為我們帶來了許多便利，同時有時也會帶來一些陷阱。那麼，PHP 是真的沒有資料型這個說法嗎？

當然不是。在 PHP 官方文件中將 PHP 中的變數劃分為三類：標量類型、複雜型別和特殊型別。標量類型包括布林型（bool）、整數型（int）、浮點型（float）和字串（string）；複雜型別包括陣列（array）和物件（object）；特殊型別包括NULL 和資源（resource） 。所以說 PHP 的變數細分的話，有 8 種資料型別。

總所周知，PHP 的底層是用 C 語言實現的。我們的 PHP 腳本會經過 Zend 引擎解析為 C 程式碼再執行。那麼，一個 PHP 的變量，在 C 語言上是怎麼表示的呢？它最終會被解析成什麼樣子呢？

答案就是 zval。不管什麼類型的 PHP 變量，在 PHP 原始碼中統一用一個叫做 zval 的結構表示。 zval 可以看做是 PHP 變數在 C 程式碼中的容器，它儲存了這個變數的值、型別等相關資訊。

那我們就來看看 zval 的基本結構（需要一點 C 語言的基本知識）。

zval的基本結構

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在PHP 原始碼中zval 這個結構是一個名叫_zval_struct 的結構體（struct） ，具體定義在原始碼的Zend/zend.h 檔案中，下面是相關程式碼的摘錄:

struct _zval_struct {
    zvalue_value value;       /* value */ 
    zend_uint refcount__gc;   /* value of ref count */
    zend_uchar type;          /* active type */ 
    zend_uchar is_ref__gc;    /* if it is a ref variable */ }; 
typedef struct _zval_struct zval;

也就是說，在PHP 的原始碼中，就用這一個結構體表示PHP 中各種類型的變量，並且還可以實現其他的一些功能，例如垃圾回收（GC：Grabage Collection）。

可以看到它由 4 個欄位構成，分別表示這個變數的某個資訊。

ZVALUE_VALUE VALUE

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value 用來表示變數的實際值，具體來說它是一個zvalue_value 的聯合體（union）:

typedef union _zvalue_value {    long lval;                  /* long value */
    double dval;                /* double value */
    struct {                    /* string */
        char *val;        int len;
    } str;
    HashTable *ht;              /* hash table value,used for array */
    zend_object_value obj;      /* object */} zvalue_value;

可以看到_zvalue_value 中只有5 個字段，但是PHP 中有8 種資料類型，那麼如何用5 個字段表示8 種類型呢？

這算是 PHP 設計比較巧妙的地方，它透過重複使用欄位達到了減少欄位的目的。例如，在PHP 內部布林型、整數及資源（只要儲存資源的識別碼即可）都是透過lval 欄位儲存的；dval 用於儲存浮點型；str 儲存字串；ht 儲存陣列(注意PHP 中的陣列其實是雜湊表)；而obj 儲存物件類型；如果所有欄位全部置為0 或NULL則表示PHP 中的NULL，這樣就達到了用5 個欄位儲存8 種類型的值。

ZEND_UINT REFCOUNT__GC

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從它的字尾 gc 可以看到，這個欄位是和垃圾回收相關的。

它實際上是一個計數器，用來保存有多少變數指向該zval。在變數生成時，置為1，也就是 refcount = 1。

對變數進行不同的操作會改變它的值。典型的賦值運算如

b 會使 refcount 加 1，而 unset() 運算會對應的減 1。

透過判斷它的值可以進行垃圾回收。在 PHP5.3 之前，使用引用計數的機制來實作 GC：如果一個 zval 的 refcount 減為 0，那麼 Zend 引擎會認為沒有任何變數指向該 zval，就會釋放該 zval 所佔的記憶體空間。但僅僅使用引用計數機制無法釋放掉循環引用的 zval，這是就會導致記憶體洩漏（Memory Leak）。

在5.3 以前，這個欄位的名字還叫做refcount，5.3 以後，在引入新的垃圾回收演算法來對付循環引用，作者加入了大量的巨集來操作refcount，為了能讓錯誤更快的顯現，所以改名為refcount__gc， 迫使大家都使用巨集來操作refcount。

類似的， 還有第四個欄位 is_ref， 這個值表示了 PHP 中的一個類型是否是引用。
想了解 PHP 的垃圾回收機制，可以參考這篇部落格：PHP的垃圾回收機制
註：變量，也可以稱為符號，symbol。所有的符號都存在符號表（symbol table）中, 不同的作用域使用不同的符號表，關於這一點，這篇博客進行了講解。

ZEND_UCHAR TYPE

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这个字段用于表明变量属于 PHP 8 种类型的哪种。在 zend 内部，这些类型对应于下面的宏（代码位置 phpsrc/Zend/zend.h）：

#define IS_NULL     0#define IS_LONG     1#define IS_DOUBLE   2#define IS_BOOL     3#define IS_ARRAY    4#define IS_OBJECT   5#define IS_STRING   6#define IS_RESOURCE 7#define IS_CONSTANT 8#define IS_CONSTANT_ARRAY   9#define IS_CALLABLE 10

ZEND_UCHAR IS_REF__GC

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这个字段用于标记变量是否是引用变量。对于普通的变量，该值为 0，而对于引用型的变量，该值为 1。这个变量会影响 zval 的共享、分离等。它也和 PHP 的垃圾回收有关。

PHP7中的zval

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上述的 zval 结构，随着时间的发展，暴露出许多问题，例如占用空间大（24 字节）、不支持拓展、 对象和引用效率差等，所以在 PHP7 的时候，对 zval 进行了较大的改变，现在它的结构是这样的：

struct _zval_struct {    union {
        zend_long         lval;             /* long value */
        double            dval;             /* double value */
        zend_refcounted  *counted;
        zend_string      *str;
        zend_array       *arr;
        zend_object      *obj;
        zend_resource    *res;
        zend_reference   *ref;
        zend_ast_ref     *ast;
        zval             *zv;        void             *ptr;
        zend_class_entry *ce;
        zend_function    *func;        struct {
            uint32_t w1;
            uint32_t w2;
        } ww;
    } value;    union {        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    type,         /* active type */
                zend_uchar    type_flags,
                zend_uchar    const_flags,
                zend_uchar    reserved)     /* call info for EX(This) */
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u1;    union {
        uint32_t     var_flags;
        uint32_t     next;                 /* hash collision chain */
        uint32_t     cache_slot;           /* literal cache slot */
        uint32_t     lineno;               /* line number (for ast nodes) */
        uint32_t     num_args;             /* arguments number for EX(This) */
        uint32_t     fe_pos;               /* foreach position */
        uint32_t     fe_iter_idx;          /* foreach iterator index */
    } u2;
};

虽然看起来变得好大，但其实仔细看，它的字段都是联合体，这个新的 zval 在 64 位环境下，只需要 16 个字节（2 个指针 size）。PHP7 中的 zval，已经变成了一个值指针，它要么保存着原始值，要么保存着指向一个保存原始值的指针。

这部分内容来自鸟哥的GitHub。

总结

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1. zval 是一种 C 语言实现的数据结构，功能是作为 PHP 变量的容器；

2. 它保存了变量的各种信息（如类型和值），并为其他功能（如垃圾回收）提供支持；

3. 在不同的 PHP 版本中，它的结构不同。PHP7 的 zval 占 16 个字节，PHP5 的要占 24 个字节。

参考

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PHP内核探索之变量（1）变量的容器-Zval
PHP垃圾回收深入理解
深入理解PHP7之zval

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