作為數據的容器，我們常常需要跟變量打交道，不管這個變量是數字、數組、字符串、對象還是其他，因而可以說變量是構成語言的不可或缺的基礎。本文是PHP內核探索之變量的第一篇，主要介紹zval的基本知識，包括如下幾個方面的內容：
由於寫作倉促，難免會有錯誤，歡迎指出。
Zval是PHP中最重要的數據結構之一（另一個比較重要的數據結構是hash table），它包含了PHP中的變量值和類型的相關信息。它是一個struct，基本結構為：
struct _zval_struct {
zvalue_value value; /* value */
zend_uint refcount__gc; /* variable ref count */
zend_uchar type; /* active type */
zend_uchar is_ref__gc; /* if it is a ref variable */
};
typedef struct _zval_struct zval;
其中：
1. zval_value value
變量的實際值，具體來說是一個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;
2. zend_uint refcount__gc
該值實際上是一個計數器，用來保存有多少變量（或者符號，symbols,所有的符號都存在符號表（symble table）中, 不同的作用域使用不同的符號表，關於這一點，我們之後會論述）指向該zval。在變量生成時，其refcount=1，典型的賦值操作如$a = $b會令zval的refcount加1，而unset操作會相應的減1。在PHP5.3之前，使用引用計數的機制來實現GC，如果一個zval的refcount較少到0，那麼Zend引擎會認為沒有任何變量指向該zval，因此會釋放該zval所占的內存空間。但，事情有時並不會那麼簡單。後面我們會看到，單純的引用計數機制無法GC掉循環引用的zval，即使指向該zval的變量已經被unset，從而導致了內存洩露（Memory Leak）。
3. zend_uchar type
該字段用於表明變量的實際類型。在開始學習PHP的時候，我們已經知道，PHP中的變量包括四種標量類型（bool,int,float,string），兩種復合類型（array, object）和兩種特殊的類型（resource 和NULL）。在zend內部，這些類型對應於下面的宏（代碼位置 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
4. is_ref__gc
這個字段用於標記變量是否是引用變量。對於普通的變量，該值為0，而對於引用型的變量，該值為1。這個變量會影響zval的共享、分離等。關於這點，我們之後會有論述。
正如名字所示，ref_count__gc和is_ref__gc是PHP的GC機制所需的很重要的兩個字段，這兩個字段的值，可以通過xdebug等調試工具查看。
xdebug是一個開源的PHP 性能分析和debug工具。雖然對於一般的程序調試，var_dump,echo,print,debug_backtrace等常見的調試工具已經基本夠用，但對於一些復雜的調試和性能測試，xdebug絕對是一個很好的幫手（其他的如Xhprof等工具也很優秀）。
本文的基本環境：
安裝xdebug的基本過程為(實際上是源碼編譯一個擴展)：
1. 下載源碼包.
下載地址為：http://www.xdebug.org/docs/install
本文中下載的版本為：xdebug-2.6.tar.gz
2. 解壓
tar xvzf xdebug-2.6.tar.gz
3. 在xdebug的目錄執行phpize
4. ./configure 配置
5. Make&& make install
這會生成xdebug.so擴展文件（zend_extension）,位置在xdebug/modules
6. 在php.ini中加載xdebug擴展
zend_extension=your-xdebug-path/xdebug.so
7. 添加xdebug的配置
xdebug.profiler_enable = on xdebug.default_enable = on xdebug.trace_output_dir="/tmp/xdebug" xdebug.trace_output_name = trace.%c.%p xdebug.profiler_output_dir="/tmp/xdebug" xdebug.profiler_output_name="cachegrind.out.%s"
這裡不再詳細介紹各個配置項的含義，詳細的請看：http://www.xdebug.org/docs/all
現在，PHP中，應該已經有了Xdebug的擴展信息（php –m，也可以phpinfo()）：
現在，你的腳本中，可以通過xdebug_debug_zval打印Zval的信息：
<?php
$a = array( 'test' );
$a[] = &$a;
xdebug_debug_zval( 'a' );
（注，本部分主要參考：http://derickrethans.nl/collecting-garbage-phps-take-on-variables.html， 作者Derick Rethans是一位優秀的PHP內核專家，在全世界做過多次報告，都有相關的pdf下載，這裡（http://derickrethans.nl/talks.html ）有作者每次演講的記錄，很多都值得我們深入去學習研究）
前面我們已經說過，PHP使用Zval這種結構來保存變量，這裡我們將繼續追蹤zval的更多細節。
1. 創建變量時，會創建一個zval.
$str = "test zval";
xdebug_debug_zval('str');
輸出結果：
str: (refcount=1, is_ref=0)='test zval'
當使用$str="test zval";來創建變量時，會在當前作用域的符號表中插入新的符號（str）,由於該變量是一個普通的變量，因此會生成一個refcount=1且is_ref=0的zval容器。也就是說，實際上是這樣的:
2. 變量賦值給另外一個變量時，會增加zval的refcount值。
$str = "test zval";
$str2 = $str;
xdebug_debug_zval('str');
xdebug_debug_zval('str2');
輸出結果：
str: (refcount=2, is_ref=0)='test zval' str2: (refcount=2, is_ref=0)='test zval'
同時我們看到，str和是str2這兩個symbol的zval結構是一樣的。這裡其實是PHP所做的一個優化，由於str和str2都是普通變量，因而它們指向了同一個zval，而沒有為str2開辟單獨的zval。這麼做，可以在一定程度上節省內存。這時的str,str2與zval的對應關系是這樣的：
$str = "test zval";
$str3 = $str2 = $str;
xdebug_debug_zval('str');
unset($str2,$str3)
xdebug_debug_zval('str');
結果為：
str: (refcount=3, is_ref=0)='test zval' str: (refcount=1, is_ref=0)='test zval'
由於unset($str2,$str3)會將str2和str3從符號表中刪除，因此，在unset之後，只有str指向該zval，如下圖所示：
現在如果執行unset($str)，則由於zval的refcount會減少到0，該zval會從內存中清理。這當然是最理想的情況。
但是事情並不總是那麼樂觀。
與標量這些普通變量不同，數組和對象這類復合型的變量在生成zval時，會為每個item項生成一個zval容器。例如：
$ar = array(
'id' => 38,
'name' => 'shine'
);
xdebug_debug_zval('ar');
打印出zval的結構是：
ar: (refcount=1, is_ref=0)=array (
'id' => (refcount=1, is_ref=0)=38,
'name' => (refcount=1, is_ref=0)='shine'
)
如下圖所示：
可以看出，變量$ar生成的過程中，共生成了3個zval容器（紅色部分標注）。對於每個zval而言，refcount的增減規則與普通變量的相同。例如，我們在數組中添加另外一個元素，並把$ar['name']的值賦給它：
$ar = array(
'id' => 38,
'name' => 'shine'
);
$ar['test'] = $ar['name'];
xdebug_debug_zval('ar');
則打印出的zval為：
ar: (refcount=1, is_ref=0)=array (
'id' => (refcount=1, is_ref=0)=38,
'name' => (refcount=2, is_ref=0)='shine',
'test' => (refcount=2, is_ref=0)='shine'
)
如同普通變量一樣，這時候,name和test這兩個symbol指向同一個zval:
同樣的，從數組中移除元素時，會從符號表中刪除相應的符號，同時減少對應zval的refcount值。同樣，如果zval的refcount值減少到0，那麼就會從內存中刪除該zval：
$ar = array(
'id' => 38,
'name' => 'shine'
);
$ar['test'] = $ar['name'];
unset($ar['test'],$ar['name']);
xdebug_debug_zval('ar');
輸出結果為：
ar: (refcount=1, is_ref=0)=array ('id' => (refcount=1, is_ref=0)=38)
在加入引用之後，情況會變的稍微復雜一點。例如，在數組中添加對本身的引用：
$a = $array('one');
$a[] = &$a;
xdebug_debug_zval('a');
輸出的結果：
a: (refcount=2, is_ref=1)=array (
0 => (refcount=1, is_ref=0)='one',
1 => (refcount=2, is_ref=1)=...
)
上述輸出中，…表示指向原始數組，因而這是一個循環的引用。如下圖所示：
現在，我們對$a執行unset操作，這會在symbol table中刪除相應的symbol,同時，zval的refcount減1（之前為2），也就是說，現在的zval應該是這樣的結構：
(refcount=1, is_ref=1)=array (
0 => (refcount=1, is_ref=0)='one',
1 => (refcount=1, is_ref=1)=...
)
也就是下圖所示的結構：
這時，不幸的事情發生了！
Unset之後，雖然沒有變量指向該zval，但是該zval卻不能被GC（指PHP5.3之前的單純引用計數機制的GC）清理掉，因為zval的refcount均大於0。這樣，這些zval實際上會一直存在內存中，直到請求結束（參考SAPI的生命周期）。在此之前，這些zval占據的內存不能被使用，便白白浪費了，換句話說，無法釋放的內存導致了內存洩露。
如果這種內存洩露僅僅發生了一次或者少數幾次，倒也還好，但如果是成千上萬次的內存洩露，便是很大的問題了。尤其在長時間運行的腳本中（例如守護程序，一直在後台執行不會中斷），由於無法回收內存，最終會導致系統“再無內存可用”。
前面我們已經介紹過，在變量賦值的過程中例如$b = $a，為了節省空間,並不會為$a和$b都開辟單獨的zval，而是使用共享zval的形式：
那麼問題來了：如果其中一個變量發生變化時，如何處理zval的共享問題？
對於這樣的代碼：
$a = "a simple test";
$b = $a;
echo "before write:".PHP_EOL;
xdebug_debug_zval('a');
xdebug_debug_zval('b');
$b = "thss";
echo "after write:".PHP_EOL;
xdebug_debug_zval('a');
xdebug_debug_zval('b');
打印的結果是：
before write: a: (refcount=2, is_ref=0)='a simple test' b: (refcount=2, is_ref=0)='a simple test' after write: a: (refcount=1, is_ref=0)='a simple test' b: (refcount=1, is_ref=0)='thss'
起初，符號表中a和b指向了同一個zval(這麼做的原因是節省內存)，而後$b發生了變化，Zend會檢查b指向的zval的refcount是否為1，如果是1，那麼說明只有一個符號指向該zval，則直接更改zval。否則，說明這是一個共享的zval，需要將該zval分離出去，以保證單獨變化互不影響，這種機制叫做COW –Copy on write。在很多場景下，COW都是一種比較高效的策略。
那麼對於引用變量呢？
$a = 'test'; $b = &$a;
echo "before change:".PHP_EOL; xdebug_debug_zval('a'); xdebug_debug_zval('b');
$b = 12; echo "after change:".PHP_EOL; xdebug_debug_zval('a'); xdebug_debug_zval('b');
unset($b); echo "after unset:".PHP_EOL; xdebug_debug_zval('a'); xdebug_debug_zval('b');
輸出的結果為：
before change: a: (refcount=2, is_ref=1)='test' b: (refcount=2, is_ref=1)='test' after change: a: (refcount=2, is_ref=1)=12 b: (refcount=2, is_ref=1)=12 after unset: a: (refcount=1, is_ref=0)=12
可以看出，在改變了$b的值之後，Zend會檢查zval的is_ref檢查是否是引用變量，如果是引用變量，則直接更改即可，否則，需要執行剛剛提到的zval分離。由於$a 和 $b是引用變量，因而更改共享的zval實際上也間接更改了$a的值。而在unset($b)之後，變量$b從符號表中刪除了。
這裡也說明一個問題，unset並不是清除zval，而只是從符號表中刪除相應的symbol。這樣一來，之前很多的關於引用的疑問也可以理解了（下一節我們將深入探索PHP的引用）。
