内存管理篇（一）· zend_alloc 的基本概念

前言

zend_alloc 是 PHP 最关键的内存管理工具，本文将首先介绍zend_alloc的整体架构与原理，为深入理解 zend_alloc 的实现奠定基础，然后在后续章节中逐步展开相关文件、主要功能、数据结构以及初始化流程。

注：本文所指"用户态内存"，是指 PHP 进程在用户空间中由 Zend 引擎自行管理的堆内存，用于脚本执行时的变量、结构体、字符串等数据，不包含内核态或共享内存区域。

新的内存管理器（从 PHP 5.2 开始使用）会从整体上减少内存分配，并提升内存分配速度。

zend_alloc 是为 PHP 设计的、对现代 CPU 缓存友好的内存管理工具。大部分构思来源于 jemalloc 和 tcmalloc 的实现。

所有的内存分配被划分成三种：这些分类依据的是分配块的大小，每种类型对应不同的分配策略。

巨大块（huge block） ：尺寸比 chunk（默认2MB）更大，使用 mmap() 函数来进行分配。分配结果在内存中对齐到2MB（大小是2MB的倍数）。
大块（large block） ：每个 chunk 包含一串4KB大小的 page。大块的内存块总是对齐到 page 边界（向上取整到 page 的倍数）。大块分配用于3KB至2MB之间的内存请求，以整页方式对齐分配。
小块（small block） ：小于 page 大小的3/4（3KB）。小块尺寸向上取最接近的预定义数字的值（在 ZEND_MM_BINS_INFO 中共有30个预定义的数字：8, 16, 24, 32, ... 3072）。小块内存是通过 run 分配的。每个 run 被分配成一个单独的或一些连续的 page。每个 run 里的空间被分配成一串空间的元素链表，占用的总空间是8B的倍数。

zend_alloc 通过 chunk 从操作系统中分配内存。这些 chunk 和巨大的内存块总是与 chunk 对齐（大小是 chunk 的倍数）。因此，PHP 可以通过位运算快速确定任意指针属于哪个 chunk。

普通 chunk 的开头保留一个特殊用途的单独 page，用于存放：

空闲 page 的 bitset
预定义的小尺寸有效运行的 bitset
保存 chunk 中每个 page 使用信息的 page 映射表

zend_alloc 提供类似 emalloc / efree / erealloc 的 API，但它还提供了专用的和优化的方法来分配预定义大小的内存块（例如 emalloc_2()、emalloc_4()、...、emalloc_large() 等）。当需要的内存大小已知时，这个类库使用 C 语言预处理器（preprocessor）技术和更多的专用方法来代替调用 emalloc() 函数。

来源：zend_alloc.c

本篇文章旨在介绍 zend_alloc 的实现逻辑和原理，源码版本为 8.2.5。

本篇文章偏向底层源码解析，适合对 PHP 内核、内存管理、C 语言感兴趣的读者。如果你只想快速了解 PHP 是如何管理内存的，可以重点阅读"小结"和"结构关系图"部分。

一、相关文件

与 zend_alloc 内存管理相关的文件主要有以下三个：

文件名	说明
`zend_alloc.h`	C 语言头文件，定义接口与结构体
`zend_alloc.c`	核心业务逻辑实现
`zend_alloc_sizes.h`	存放常用常量和宏定义

这三个文件构成了 PHP 内存管理器的完整实现：定义接口、实现逻辑与配置常量。

关键常量

以下是 zend_alloc_sizes.h 文件中定义的关键常量：

arduino 复制代码

#define ZEND_MM_CHUNK_SIZE ((size_t) (2 * 1024 * 1024)) // chunk 大小 2MB
#define ZEND_MM_PAGE_SIZE  (4 * 1024)                  // 每个 page 4KB
#define ZEND_MM_PAGES      (ZEND_MM_CHUNK_SIZE / ZEND_MM_PAGE_SIZE) // 一个 chunk 可分成512个 page
#define ZEND_MM_FIRST_PAGE (1)                         // 第一个 page 编号1
#define ZEND_MM_MIN_SMALL_SIZE 8                       // 小块最小 8B
#define ZEND_MM_MAX_SMALL_SIZE 3072                    // 小块最大 3072B
#define ZEND_MM_MAX_LARGE_SIZE (ZEND_MM_CHUNK_SIZE - (ZEND_MM_PAGE_SIZE * ZEND_MM_FIRST_PAGE)) // 大块内存最大2MB - 4KB = 2044KB


常量名	值	说明
`ZEND_MM_CHUNK_SIZE`	2MB	PHP 向操作系统申请的最小内存单元
`ZEND_MM_PAGE_SIZE`	4KB	chunk 内的最小逻辑页大小
`ZEND_MM_PAGES`	512	每个 chunk 包含512页
`ZEND_MM_FIRST_PAGE`	1	第0页为管理页，从第1页开始分配
`ZEND_MM_MIN_SMALL_SIZE`	8B	小块最小分配单位（8 字节对齐）
`ZEND_MM_MAX_SMALL_SIZE`	3072B	小块最大值（page 的3/4）
`ZEND_MM_MAX_LARGE_SIZE`	2044KB	大块分配上限（去除管理页）

这些常量定义了 PHP 内存分配的几何结构，是后续所有 chunk、page、run 计算的基础。

二、主要功能

了解内存管理器的主要功能，可以从 zend_alloc.h 中的标准封装宏程序（Standard wrapper macros）列表开始。这些封装宏的设计目的在于统一内存管理接口，便于调试与内存统计，从而在整个 Zend 引擎中提供一致的内存操作入口。以下列出了 Zend 内存分配器对外提供的标准 API 及其底层实现关系：


功能分组	宏名称	目标方法	说明
分配内存	emalloc()	_emalloc()	通用方法，外部大量调用
	emalloc_large()	_emalloc_large()	分配大块内存，内部少量调用
	emalloc_huge()	_emalloc_huge()	分配巨大块内存，内部少量调用
	safe_emalloc()	_safe_emalloc()	分配内存，带安全保护，外部大量调用
	ecalloc()	_ecalloc()	分配内存并清零，外部大量调用
释放内存	efree()	_efree()	通用方法，外部大量调用
	efree_large()	_efree_large()	释放大块内存，内部少量调用
	efree_huge()	_efree_huge()	释放巨大块内存，内部少量调用
调整内存大小	erealloc()	_erealloc()	调整内存大小，外部大量调用
	erealloc2()	_erealloc2()	调整内存大小，内部少量调用
	safe_erealloc()	_safe_erealloc()	调整内存大小，带安全保护，外部大量调用
创建内存并复制指定内容	estrdup()	_estrdup()	使用 `_emalloc()` 函数创建并复制指定字符串（不传入长度）
	estrndup()	_estrndup()	使用 `_emalloc()` 函数创建并复制指定字符串（传入长度）
	zend_strndup()	_zend_strndup()	使用原生函数创建并复制指定字符串（传入长度）

可见，内存管理器最重要的功能是分配内存、释放内存和调整内存大小。这些接口构成了 Zend 引擎内存管理的外部 API 层，是所有扩展模块和核心组件的基础。下面以这几项主要功能为线索，依次展开介绍。

三、基本数据结构

为了支撑上节所述的三种内存分配方式，zend_alloc 定义了一系列核心数据结构，用于记录堆（heap）、块（chunk）、页（page）及运行状态。内存分配中用到的主要结构如下：


名称	结构体	别名	备注
-	_zend_alloc_globals	zend_alloc_globals	用作全局入口
heap	_zend_mm_heap	zend_mm_heap	堆结构，是整个内存系统的根节点
chunk	_zend_mm_chunk	zend_mm_chunk	块，分配单元，管理页集合
page	_zend_mm_page	zend_mm_page	页，最小逻辑内存单位（4KB）

zend_alloc_globals 结构体在 zend_alloc.c 中声明。它在全局只有一个实例，充当全局入口，指向当前进程的 zend_mm_heap 对象。它的结构非常简单，仅包含一个指向 zend_mm_heap 实例的指针。

zend_mm_heap 结构体是整个内存的根，所有 chunk 都与它关联。它除了保留主 chunk 的指针，还要记录内存使用情况，主要结构如下：


元素名	类型	说明
free_slot	zend_mm_free_slot[]	空闲小块内存链表指针，30个元素
huge_list	zend_mm_huge_list*	巨大块内存链表指针
main_chunk	zend_mm_chunk*	主 chunk
cached_chunks	zend_mm_chunk*	chunk 链表指针
chunks_count	int	chunk 数量
peak_chunks_count	int	chunk 最大数量
cached_chunks_count	int	缓存 chunk 数量
avg_chunks_count	double	平均 chunk 数量
last_chunks_delete_boundary	int	chunk 清理阈值
last_chunks_delete_count	int	清理时删除的 chunk 数量
real_size	size_t	当前使用的内存大小
limit	size_t	最大可内存大小
overflow	int	内存是否已经溢出

以上是 zend_mm_heap 的关键元素，其中前4个用于管理分配与回收，其他用于内存清理与性能监控。

zend_mm_chunk 结构体是 PHP 的基本内存分配单元，每个 chunk 固定2MB，内部按页（page）划分，页的使用状态由位图和映射表记录。内存管理器向操作系统申请内存时，总是以 chunk 为单位；清理释放内存时，也是以 chunk 为单位。主体结构如下：


元素名	类型	说明
heap	zend_mm_heap*	指向所属 heap
next	zend_mm_chunk*	指向前一个 chunk
prev	zend_mm_chunk*	指向后一个 chunk
free_pages	uint32_t	空闲 page 数量
free_tail	uint32_t	末尾空闲 page 数量
num	uint32_t	chunk 的创建序号
reserve	char[]	未使用字段
heap_slot	zend_mm_heap	主 chunk 会用到它
free_map	zend_mm_page_map	64B（512 bit），每个 bit 标记一个 page 的使用状态
map	zend_mm_page_info[]	512个 page，每个 page 分配一个32位整数（4B），共2KB

zend_mm_page 结构体是内存分配的中间单位，其大小由前文中提到的 ZEND_MM_PAGE_SIZE 常量决定，常值为4KB。page 的结构非常简单：


元素名	类型	说明
bytes	char[ZEND_MM_PAGE_SIZE]	占4KB内存（不仅当作 char 型使用）

结构关系图（heap → chunk → page → run）

scss 复制代码

zend_mm_heap (heap)
│
├── zend_mm_chunk (2MB)
│   │
│   ├── chunk header（结构体头部字段：heap / next / prev / ...）
│   │
│   ├── 第0页：管理页（地图）
│   │   ├── free_map（64B 位图，标记 512 个 page 是否空闲）
│   │   └── map（page 信息表：512 × 4B ≈ 2KB）
│   │
│   └── 第1页 ~ 第511页：可分配页区
│        ├── run（small bins，小块分配区）
│        └── lrun（large block，大块：整页对齐）
│
└── huge block (>2MB)
     └── 通过 mmap 独立映射（不占用上述 chunk 页区）

四、启动内存管理

在进行内存分配前，要先启动内存管理器。zend.c 中的 zend_startup() 函数用于启动 PHP 的相关组件，无论是命令行模式、FPM 模式还是调试模式，PHP 在所有运行模式下都会调用该函数。zend_startup() 函数调用 zend_alloc.c 中的 start_memory_manager() 函数来启动内存管理器。

初始化过程主要包括以下函数调用路径：

scss 复制代码

zend_startup()
  └── start_memory_manager()
        └── alloc_globals_ctor()
              └── zend_mm_init()
                    └── zend_mm_chunk_alloc_int()
                          └── zend_mm_mmap()

该路径展示了从全局初始化到堆构建，再到底层内存映射的完整流程。

zend_mm_init() 函数调用 zend_mm_chunk_alloc_int() 函数，分配内存并创建主 chunk，同时在主 chunk 内初始化 zend_mm_heap 实例。由此可见：

主 chunk 的大小是 ZEND_MM_CHUNK_SIZE，值为2MB。因此 PHP 程序只要启动，就会在这里分配一个2MB的空间。
zend_mm_heap 实例不是单独创建的，而是主 chunk 中的一部分。

至此，PHP 的内存管理体系完成初始化，主 chunk 与堆实例一同构成了整个内存分配的起点。

小结

本文从文件结构、核心常量、功能接口、数据结构到初始化流程，解析了 zend_alloc 的设计思路与运行机制。可以看到，PHP 的内存管理体系以 chunk 为核心、page 为基础单元，通过层次化的结构设计和高效的位图标记，实现了对不同大小内存块的精确控制。下一篇文章将深入分析内存分配与回收的细节，包括小块（small block）与大块（large block）的具体实现策略。

如果你对 PHP 内存管理有不同的理解，或者希望我在后续文章中讲解具体的分配策略，欢迎留言讨论～