Einführung: PHP-Variablen und der Garbage Collector

In diesem Blog-Post möchte ich erklären, was technisch hinter einer Variable in PHP steckt und wann PHP den Speicher dieser Variablen wieder freigibt.

Der PHP Quellcode?

Im Alltag schaut man doch ehr selten (nie) in den eigentlichen Quellcode von PHP. Dies sollten wir an dieser Stelle nachholen. -> https://github.com/php/php-src/tree/PHP-5.5

Info: Auf der folgenden Seite kann man den PHP Quelltext einfach nach bestimmten z.B.: Funktionen durchsuchen: http://lxr.php.net

Ich habe mich hier für den Quelltext von PHP 5.5 entschieden, da diese Version auf meinen lokalen PC läuft und ich die folgenden Tests mit dieser Version durchführen werde.

PHP Quellcode – Struktur: Hier gibt es zwei Hautbestandteile von PHP, mit welchen wir uns weiter beschädigen werden. Aufgeteilt sind diese in den folgende zwei Verzeichnissen.

– Zend: (www.php.net/manual/en/langref.php) Die Zend Engine, stellt die Laufzeitumgebung für PHP zur Verfügung. In diesem Verzeichnis werden somit alle “language level”-Funktionen von PHP bereitgestellt wie z.B. Variablen, Syntax-Analyse, Code-Ausführung und Fehlerbehandlung.

– ext: (www.php.net/manual/en/funcref.php) Extensions, stellt alle einzel Funktionen von PHP bereit. (z.B. strpos, substr, PDO, SplFixedArray etc.)

Intern stellt PHP jeder Variable als sogenannte “ZVALs” da. Dies ist unter anderen nötig, da der PHP-Kern in C geschrieben ist, C jedoch keine dynamische Typisierung wie in PHP zulässt. Somit bedient man sich einer Art Wrapper, welcher verschiedene Werte beinhalten kann.

struct _zval_struct {
  /* Variable information */
  zvalue_value value;             /* value */
  zend_uint refcount__gc;
  zend_uchar type;                /* active type */
  zend_uchar is_ref__gc;
};

Was steck in einer zval-Struktur?

value: http://lxr.php.net/xref/PHP_5_5/Zend/zend.h#321

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

Wir sehen, dass der “value” in einer PHP-Variable (zval) mehrere Variablentpyen (Zustände) beinhaltet. Daher kann eine PHP-Variable sowohl einen int-Wert, als auch ein Array beinhalten.

z.B.:
$foo = (int) 3;
$foo = array(3);

type: http://lxr.php.net/xref/PHP_5_5/Zend/zend.h#578

/* data types */
/* All data types <= IS_BOOL have their constructor/destructors skipped */
#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

/* Ugly hack to support constants as static array indices */
#define IS_CONSTANT_TYPE_MASK       0x00f
#define IS_CONSTANT_UNQUALIFIED     0x010
#define IS_CONSTANT_INDEX           0x080
#define IS_LEXICAL_VAR              0x020
#define IS_LEXICAL_REF              0x040
#define IS_CONSTANT_IN_NAMESPACE    0x100

Da wir sovor gesehen haben, dass das “value”-Feld verschiedene Typen von Variablen beinhalten kann, wird hier festgelegt um welchen Type es sich hier handelt. z.B.: zval.type = IS_LONG

is_ref: 0 || 1 http://www.phpinsider.com/download/PHP5RefsExplained.pdf
Dieses Feld wird auf “1” gesetzt falls es sich bei der Variable um eine Referenz (z.B.: &$foo) handelt.

refcount: http://www.php.net/manual/en/features.gc.refcounting-basics.php
Dieses Feld ist ein Zähler für die Anzahl von PHP-Variablen, welche zu dem internen zval referenzieren, so kann der PHP Garbage Collector entscheiden, wann die entsprechende Variable nicht mehr benötigt wird.

z.B.:
$a= new A;    // 1 Referenz
$b = $a;         // 2 Referenzen
unset( $a );   // 1 Referenz
unset( $b);    // 0 Referenzen

Größe von “zval”?

Auf folgender Webseite wurden bereits mit PHP 5.3 getestet, wie viel Speicher für 100000 Integer-Werten in einem Array benötigt werden. -> http://nikic.github.io/2011/12/12/How-big-are-PHP-arrays-really-Hint-BIG.html

                             |  64 bit   | 32 bit

zval                         |  24 bytes | 16 bytes
+ cyclic GC info             |   8 bytes |  4 bytes
+ allocation header          |  16 bytes |  8 bytes
===================================================
zval (value) total           |  48 bytes | 28 bytes
===================================================
bucket                       |  72 bytes | 36 bytes
+ allocation header          |  16 bytes |  8 bytes
+ pointer                    |   8 bytes |  4 bytes
===================================================
bucket (array element) total |  96 bytes | 48 bytes
===================================================
total total                  | 144 bytes | 76 bytes

144 bytes * 100000 = 13.73 MB

Test mit PHP 5.5 (32-Bit)

$int = 0;
Speichergröße: 176 bytes

(refcount=1, is_ref=0),int 0

$null = null;
Speichergröße: 184 bytes

(refcount=1, is_ref=0),null

Da es für “null” keinen Eintrag im zvalue_value gibt, wird dieser Wert seperat gespeichert und benötigt somit inital mehr Speicher als 0.

$string = ”;
Speichergröße: 200 bytes

(refcount=1, is_ref=0),string '' (length=0)

$string = ‘1234567’;
Speichergröße: 200 bytes

(refcount=1, is_ref=0),string '1234567' (length=7)

$string = ‘12345678’;
Speichergröße: 208 bytes

(refcount=1, is_ref=0),string '1234567' (length=8)

$string = ‘0123456789’;
Speichergröße: 208 bytes

(refcount=1, is_ref=0),string '1234567' (length=10)

Wir sehen, dass PHP jeweills 1 byte (8 bit) benötigt, um ein Zeichen für einen String zu Speichern und diese zu jeweills 8 bytes zusammenfasst. So bleiden im letzten Beispiel 192 (208 – 16) bytes übrig, welche PHP benötigt um die entsprechende Variable anzulegen.

$array = range(1, 100000);
Speichergröße: 8524576 bytes => 8.12966919 megabytes

(refcount=1, is_ref=0), array (size=100000)
  0 => (refcount=1, is_ref=0),int 1
  1 => (refcount=1, is_ref=0),int 2
  2 => (refcount=1, is_ref=0),int 3
  3 => (refcount=1, is_ref=0),int 4
  [...]

PHPs Garbage Collector

Quellcode für den Test: test4.php

start:                                88 bytes 
array:                     8524592 bytes 
function1-begin:     8524608 bytes 
function1-end:      17049016 bytes 
array-test4:             8524536 bytes 
function2-begin:      8524552 bytes 
function2-end:         8524616 bytes 
array-test4_ref:       8524552 bytes 
end:                         8524552 bytes 

Wir sehen, dass PHP bei der ersten Funktion mit Parameterübergabe (ohne Referenz) das entsprechende Array kopiert, da es sich hier um eine neue Variable handelt, welche in der Funktion verarbeite wird und zurückgegeben wird. Zusätzlich können wir hier beobachten wann PHP die Variable kopiert und zwar erst wenn diese Verändert wird (copy-on-write).

Zusammenfassung:

Ich glaube es ist Zeit für eine erste Zusammenfassung von dem was wir bisher aus den PHP Quelltext und den ersten kleinen Tests sehen konnten.

1.) PHP behandelt Variablen intern als Struktur von Variablen (zval_struct -> zval).

2.) Diese Struktur beinhaltet nicht nur den aktuellem Wert und den Type, sondern auch die Anzahl wie oft diese Variable verwendet wird und ob es sich dabei um eine Referenz (&) handelt. 

3.) PHPs Garbage Collector kann somit nicht mehr benötigte Variablen selbständig aus dem Speicher löschen.

Quellen:
http://www.php.net/manual/en/internals2.variables.intro.php
http://www.php.net/manual/en/features.gc.refcounting-basics.php
http://www.php.net/manual/en/function.debug-zval-dump.php

http://code.stephenmorley.org/php/references-tutorial/
http://www.developerknowhow.com/inside-the-php-engine-integers-and-their-zval/
http://webandphp.com/how-php-manages-variables
http://wiki.selfhtml.org/wiki/Artikel:PHP/
http://www.sitepoint.com/better-understanding-phps-garbage-collection/

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