内存管理的准备知识

据 PHP 7 核心开发者描述，PHP 7 在内存管理上的 CPU 时间节省达到了 21%，提升巨大。接下来，就从源码层面一窥 PHP 7 的内存管理实现，逐步揭开效率提升的 “内幕”。

PHP 7 的 Zend MM 借鉴了 jemalloc 和 tcmalloc 这两个成熟的内存管理方案。两者都在业内广泛应用：jemalloc 是 Firfox 浏览器的默认内存管理器，而 tcmalloc 则是 Chrome 和 Safari 的默认内存管理器。抛开 jemalloc 和 tcmalloc 的实现细节，MM 和 “前辈” 的内存分配思想是一致的：系统申请大块内存，再按固定的几种规格分割成较小的内存块，由内存池统一管理。当调用方申请内存时，从池子中匹配已经预分配的合适大小的内存块返回。

基本概念

PHP 7 的 MM 的核心代码在 zend_alloc.c 中实现，它维护了 3 种规格的内存，分别是 chunk、page、slot，其中一个 chunk 大小是 2MB，一个 page 是 4KB，一个 chunk 可以划分成多个 page，而一个 page 又可划分成多个 slot，每种规格的内存的应用场景不同，因此它们的分配方式有所不同，对于 MM 而言，只有 chunk 是通过 malloc 的方式向系统申请内存的。

PHP 是 C 实现的，在堆中运行。Zend MM 也在堆内存运行，它根据完善的运行机制管理着内存的申请和释放。对于堆内存管理而言，chunk 是最小操作单位。从本质上来说，所有类型的 chunk 都是内存中一块连续的区域，一个 chunk 的大小是 2MB。

对应于 PHP 中，在 zend_alloc_sizes.h 中有对 page 和 chunk 大小的定义：

#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 */

page 是在 chunk 中分配的，那么一个 chunk 可以分为 2MB/4KB=512 个 page，如图9-2所示。

image 2024 06 10 12 36 49 277
Figure 1. 图9-2 chunk与page示意图

在 PHP 7 中，对于 chunk 大块内存的申请是使用 mmap 函数实现的，其中 mmap 函数原型如下：

void* mmap(void* start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
//PHP 7中对应的调用如下：
ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANON, -1, 0);

各参数的含义如下：

  1. start：映射区的开始地址，设置为 0 时表示由系统决定映射区的起始地址，PHP 7 中传入的是 NULL，也就是 0。

  2. length：映射区的长度，以字节为单位，不足一内存页按一内存页处理。

  3. prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。prot 可以是以下的某个值，可以通过 or 运算合理地组合在一起：

    • PROT_EXEC——页内容可以执行；

    • PROT_READ——页内容可以读取；

    • PROT_WRITE——页可以写入；

    • PROT_NONE——页不可访问。

    PHP 7 中的内存保护标志位为 PROT_READ| PROT_WRITE，即可以读和写。

  4. flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个位的组合体，PHP 7 使用的是 MAP_PRIVATE | MAP_ANON，前者是建立一个写入时复制的私有映射，后者表示匿名映射，映射区不与任何文件关联。

  5. fd：有效的文件描述词。PHP 7 中设置为 -1，此时需要指定 flags 参数中的 MAP_ANON，表明进行的是匿名映射。

  6. off_toffset：被映射对象内容的起点，PHP 7 中设置为 0。

调用 mmap，必须以 PAGE_SIZE（一个 page 的大小）为单位进行映射，而内存也只能以页为单位进行映射，若要映射非 PAGE_SIZE 整数倍的地址范围，要先进行内存对齐，强行以 PAGE_SIZE 的倍数大小进行映射。成功执行时，mmap 返回被映射区的指针。PHP 7 通过调用 mmap 函数，返回一大块内存，一般是 chunk 大小的倍数，后面的内存管理工作在这一大块内存上进行操作。

PHP 7 的 MM 将申请内存按大小分成了 3 类：small 内存、large 内存、huge 内存。

  1. small 内存：小于等于 3KB 的内存。

  2. large 内存：大于 3KB 且小于等于（2MB-4KB）的内存，可以对应整数倍的 page，之所以要减掉 4KB 一个 page 的大小，后面会详细展开。

  3. huge 内存：大于 2MB-4KB 的内存，可以直接对应整数倍的 chunk。

与 mmap 相反的操作是 int munmap(void *start, size_t length)，用来取消参数 start 所指的映射内存起始地址，参数 length 则是欲取消的内存大小，该函数在释放内存的时候使用。

内存对齐

在用 C/C++ 进行软件开发、申请内存时，编译器可以帮我们实现内存对齐，虽然看上去浪费了内存，但是提升了 CPU 访问内存的速度。PHP 7 内存大小的对齐，和 C/C++ 编译器的内存对齐作用相近。在 PHP 7 的内存池管理中，比如我们申请 300B 的内存，如果以 256B 对齐，则对齐后的内存应该是 512B（256 的 2 倍）。

PHP 7 中的内存对齐，主要用到下面 3 个宏：

#define ZEND_MM_ALIGNMENT_MASK ～(ZEND_MM_ALIGNMENT - Z_L(1))
#define ZEND_MM_ALIGNED_SIZE(size) (((size) + ZEND_MM_ALIGNMENT - Z_L(1)) & ZEND_
    MM_ALIGNMENT_MASK)
#define ZEND_MM_ALIGNED_SIZE_EX(size, alignment) \
    (((size) + ((alignment) - Z_L(1))) & ～((alignment) - Z_L(1)))

如何理解这几个宏呢？下面举例来说明一下，假如要申请一个大小为 4KB 的内存，并以 0x1000 对齐，如图9-3所示。

image 2024 06 10 12 43 46 372
Figure 2. 图9-3 PHP 7内存地址对齐示例

  1. 申请 0x1000+0x1000-0x0001=0x1fff 的内存（也就是多申请 0xfff 的内存），比如申请到的起始地址为 0x103c60120，结束地址为 0x103c6211f；因为此时的地址不是 0x1000 对齐的（因为 0x103c60120 不是 0x1000 的整数倍），所以要进行对齐操作。

  2. 为了对齐，先释放 0x103c60120 到 0x103c61000（恰好是起始地址和结束地址区间内 0x1000 的整数倍）的 0xee0 长度的内存，起始保证了起始地址为 0x103c61000，是与 0x1000 对齐的。

  3. 释放 0x103c62000 到 0x103c6211f 的 0x11f 长度内存（两次释放的内存长度 0xee0+0x11f=0xfff，恰好为多申请的长度）。

  4. 剩下的即为需要的 0x1000 长度，起始地址为 0x103c61000，结束地址为 0x103c62000 的内存。

从图9-3可以看到，使用此内存时，比如有一内存地址为 0x103c61120，通过宏计算，可以得出，此内存所在的 page 的起始地址为 0x103c61000，在此 page 的偏移量为 0x120，能够快速定位内存地址所在的 page，提高效率。

到此已经介绍了内存管理的基本概念，以及内存对齐的方法，接下来阐述一下 PHP 7 内存管理中核心的数据结构。