PHP是如何存储变量的？zval结构体你了解吗？

PHP 源码中的 zval

在 PHP 中定义一个变量是不需要声明类型的，一开始给变量 $a 赋予一个整型值，后面又可以轻而易举地将其改变为其他类型。那在 PHP 的源码中是如何来存储这个变量 $a 的呢？带着这个疑问我们一起去看一看 PHP 的源码。

PHP 的源码是由 C 编写的，在 PHP 的源码中使用了一个 zval 的结构体来存储在 PHP 代码中创建的变量。我们把 zval 结构体的定义拿出来简单分析一下。

这是 PHP 在 Github 上的官方仓库：github.com/php/php-src，本文使用的分支是 PHP-7.4.29。

zval 结构体

在 PHP 的源码中找到这个文件：php-src/Zend/zend_types.h，可以看到其中 zval 结构体的定义如下，左侧是源码。源码中使用了 PHP 自己定义的类型 zend_uchar 、uint16_t 、uint32_t 等，这些类型会针对不同平台和编译器会转为该平台下的 char short int 等。为了便于理解，我将其翻译为普通类型并展示在了源码的右侧。同时还把其中的宏函数 ZEND_ENDIAN_LOHI_3() 也展开了。

typedef struct _zval_struct zval;
...
       《源代码》                                               《翻译后》
-------------------------------------------------------------------------------------------
struct _zval_struct {                               | struct _zval_struct {
    zend_value value;                               |     zend_value value;
    union {                                         |     union {
        struct {                                    |         struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_3(                     |             unsigned char type;
                zend_uchar type,                    |             unsigned char type_flags;
                zend_uchar type_flags,              |             union {
                union {                             |                 unsigned short extra;
                    uint16_t extra;                 |             } u;
                } u                                 |         } v;
            )                                       |         unsigned int type_info;
        } v;                                        |     } u1;
        uint32_t type_info;                         |     union {
    } u1;                                           |         unsigned int next;
    union {                                         |         unsigned int cache_slot;
        uint32_t next;                              |         unsigned int opline_num;
        uint32_t cache_slot;                        |         unsigned int lineno;
        uint32_t opline_num;                        |         unsigned int num_args;
        uint32_t lineno;                            |         unsigned int fe_pos;
        uint32_t num_args;                          |         unsigned int fe_iter_idx;
        uint32_t fe_pos;                            |         unsigned int access_flags;
        uint32_t fe_iter_idx;                       |         unsigned int property_guard;
        uint32_t access_flags;                      |         unsigned int constant_flags;
        uint32_t property_guard;                    |         unsigned int extra;
        uint32_t constant_flags;                    |     } u2;
        uint32_t extra;                             | };
    } u2;                                           |
};                                                  |

在 zval 结构体中，变量的值就存储在 zend_value 类型的 value 属性中。并通过 u1.v.type 来记录这个值是什么类型的，比如 IS_LONG 对应整型，IS_STRING 对应字符串类型。

zend_value 联合体

zend_value 类型也是在 php-src/Zend/zend_types.h 中定义的，是一个联合体，下面是 zend_value 联合体的定义，左侧是源码。同样在右侧我也做了简单的翻译，把 zend_long uint32_t 翻译为普通类型便于查看。

            《源代码》                                              《翻译后》
------------------------------------------------------------------------------------
typedef union _zend_value {                         | typedef union _zend_value {
    zend_long         lval; /* long value */        |     long              lval;
    double            dval; /* double value */      |     double            dval;
    zend_refcounted  *counted;                      |     zend_refcounted  *counted;
    zend_string      *str;                          |     zend_string      *str;
    zend_array       *arr;                          |     zend_array       *arr;
    zend_object      *obj;                          |     zend_object      *obj;
    zend_resource    *res;                          |     zend_resource    *res;
    zend_reference   *ref;                          |     zend_reference   *ref;
    zend_ast_ref     *ast;                          |     zend_ast_ref     *ast;
    zval             *zv;                           |     zval             *zv;
    void             *ptr;                          |     void             *ptr;
    zend_class_entry *ce;                           |     zend_class_entry *ce;
    zend_function    *func;                         |     zend_function    *func;
    struct {                                        |     struct {
        uint32_t w1;                                |         unsigned int w1;
        uint32_t w2;                                |         unsigned int w2;
    } ww;                                           |     } ww;
} zend_value;                                       | } zend_value;

联合体的一个特点是其占用的内存是其属性中最大类型对应的长度。其中的 zend_long 就是 long 类型，可以看到 long 类型的 lval 和 double 类型的 dval 占用的长度都是 8 个字节。里面其他指针类型，也均为 8 个字节。最后面的结构体属性 ww 是由两个 int 型构成，长度相加也是 8 个字节。因此此联合体的长度为 8 个字节。

在我们写的 PHP 代码中，整型和浮点型数据的值会直接存放到 lval 和 dval 中。如果是字符串、数组以及其他类型时会开辟一段空间存储数据，并将其地址存放在 zend_value 中，也就是 zval.value 属性，如：zval.value.zend_long = 9527、zval.value.zend_string = 字符串地址 、zval.value.zend_array = 数组地址。然后在 zval.u1.v.type 上标记这个 zval.value 是整型、或浮点型、或字符串、或其他类型。

zval.u1.v.type 类型定义也是在 php-src/Zend/zend_types.h 文件中，全部的定义如下：

/* regular data types */
#define IS_UNDEF        0
#define IS_NULL         1
#define IS_FALSE        2
#define IS_TRUE         3
#define IS_LONG         4
#define IS_DOUBLE       5
#define IS_STRING       6
#define IS_ARRAY        7
#define IS_OBJECT       8
#define IS_RESOURCE     9
#define IS_REFERENCE    10
/* constant expressions */
#define IS_CONSTANT_AST 11
/* internal types */
#define IS_INDIRECT     13
#define IS_PTR          14
#define IS_ALIAS_PTR    15
#define _IS_ERROR       15
/* fake types used only for type hinting (Z_TYPE(zv) can not use them) */
#define _IS_BOOL        16
#define IS_CALLABLE     17
#define IS_ITERABLE     18
#define IS_VOID         19
#define _IS_NUMBER      20

zval 结构体内存占用

接下来我们分析一下 zval 所需占用的内存。

• value：zend_value 类型 8 个字节。

• u1：

• u1.v.type：unsigned char 1 个字节，u1.v.type_flags：unsigned char 1 个字节，u1.v.u：联合体中只有一个 unsigned short 的 extra 属性 2 个字节，因此 u1.v 的结构体总共是 4 个字节。

• u1.type_info：unsigned int 4 个字节。

• 因此 u1 这个联合体的长度取最长的属性的长度：4 个字节。

• u2：也是一个联合体，里面都是 int 型的属性，因此长度是 4 个字节。

• 所以 zval 总共占用的内存是 8 + 4 + 4 = 16 个字节。

也就是说当我们在写 PHP 代码时，如果创建了一个整型的变量，那么实际上它在运行中会占用 16 个字节的内存，内存开销至少是 C 语言的两倍。当然这两倍的开销也带来了 PHP 处理变量的灵活性。

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