PHP 8.4.3 のソースを基に調査 https://php.github.io/php-src/ https://php.github.io/php-src/core/data-structures/index.html https://www.phpinternalsbook.com/ https://www.phpinternalsbook.com/php7/zvals/basic_structure.html zval zend_value + type + meta zend_value union zend_refcounted* zend_string* zend_array* zend_object* zend_reference* ```c typedef struct _zval_struct zval; struct _zval_struct { zend_value value; /* value */ union { uint32_t type_info; struct { ZEND_ENDIAN_LOHI_3( uint8_t type, /* active type */ uint8_t type_flags, union { uint16_t extra; /* not further specified */ } u) } v; } u1; union { uint32_t next; /* hash collision chain */ uint32_t cache_slot; /* cache slot (for RECV_INIT) */ uint32_t opline_num; /* opline number (for FAST_CALL) */ uint32_t lineno; /* line number (for ast nodes) */ uint32_t num_args; /* arguments number for EX(This) */ uint32_t fe_pos; /* foreach position */ uint32_t fe_iter_idx; /* foreach iterator index */ uint32_t guard; /* recursion and single property guard */ uint32_t constant_flags; /* constant flags */ uint32_t extra; /* not further specified */ } u2; }; typedef union _zend_value { zend_long lval; /* long value */ double dval; /* double value */ zend_refcounted *counted; zend_string *str; zend_array *arr; zend_object *obj; zend_resource *res; zend_reference *ref; zend_ast_ref *ast; zval *zv; void *ptr; zend_class_entry *ce; zend_function *func; struct { uint32_t w1; uint32_t w2; } ww; } zend_value; ``` ```c /* Regular data types: Must be in sync with zend_variables.c. */ #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 #define IS_CONSTANT_AST 11 /* Constant expressions */ /* Fake types used only for type hinting. * These are allowed to overlap with the types below. */ #define IS_CALLABLE 12 #define IS_ITERABLE 13 #define IS_VOID 14 #define IS_STATIC 15 #define IS_MIXED 16 #define IS_NEVER 17 /* internal types */ #define IS_INDIRECT 12 #define IS_PTR 13 #define IS_ALIAS_PTR 14 #define _IS_ERROR 15 /* used for casts */ #define _IS_BOOL 18 #define _IS_NUMBER 19 /* zval_gc_flags(zval.value->gc.u.type_info) (common flags) */ #define GC_NOT_COLLECTABLE (1<<4) #define GC_PROTECTED (1<<5) /* used for recursion detection */ #define GC_IMMUTABLE (1<<6) /* can't be changed in place */ #define GC_PERSISTENT (1<<7) /* allocated using malloc */ #define GC_PERSISTENT_LOCAL (1<<8) /* persistent, but thread-local */ #define GC_NULL (IS_NULL | (GC_NOT_COLLECTABLE << GC_FLAGS_SHIFT)) #define GC_STRING (IS_STRING | (GC_NOT_COLLECTABLE << GC_FLAGS_SHIFT)) #define GC_ARRAY IS_ARRAY #define GC_OBJECT IS_OBJECT #define GC_RESOURCE (IS_RESOURCE | (GC_NOT_COLLECTABLE << GC_FLAGS_SHIFT)) #define GC_REFERENCE (IS_REFERENCE | (GC_NOT_COLLECTABLE << GC_FLAGS_SHIFT)) #define GC_CONSTANT_AST (IS_CONSTANT_AST | (GC_NOT_COLLECTABLE << GC_FLAGS_SHIFT)) /* zval.u1.v.type_flags */ #define IS_TYPE_REFCOUNTED (1<<0) #define IS_TYPE_COLLECTABLE (1<<1) /* string flags (zval.value->gc.u.flags) */ #define IS_STR_CLASS_NAME_MAP_PTR GC_PROTECTED /* refcount is a map_ptr offset of class_entry */ #define IS_STR_INTERNED GC_IMMUTABLE /* interned string */ #define IS_STR_PERSISTENT GC_PERSISTENT /* allocated using malloc */ #define IS_STR_PERMANENT (1<<8) /* relives request boundary */ #define IS_STR_VALID_UTF8 (1<<9) /* valid UTF-8 according to PCRE */ /* array flags */ #define IS_ARRAY_IMMUTABLE GC_IMMUTABLE #define IS_ARRAY_PERSISTENT GC_PERSISTENT /* object flags (zval.value->gc.u.flags) */ #define IS_OBJ_WEAKLY_REFERENCED GC_PERSISTENT #define IS_OBJ_DESTRUCTOR_CALLED (1<<8) #define IS_OBJ_FREE_CALLED (1<<9) /* Recursion protection macros must be used only for arrays and objects */ #define GC_IS_RECURSIVE(p) \ (GC_FLAGS(p) & GC_PROTECTED) ``` https://www.phpinternalsbook.com/php7/zvals/memory_management.html zend_refcounted refcount type_info 文字列や配列は immutable になることがある refcount も変化しない opcache で共有されるメモリは必ず immutable 複数のプロセスから参照される 複数リクエストで使い回すデータは immutable 並列アクセスされるため PHP の refcount は thread-safe でない persistent allocator と per-request allocator persistent allocator malloc/free (pemalloc/pefree) PHP は関知しない リクエスト間で使い回される immutable であるか thread-local な領域に確保するかする必要がある per-request allocator Zend Memory Manager リクエストを処理し終わったら破棄される zval は通常ヒープに確保されない ヒープに確保されたより大きなオブジェクトのフィールドとして確保されることはある zend_reference はそうだった気がする スタックに確保した zval はそのスコープで使い切らなければならない 引数や返り値を通して by-value で受け渡してはならない スコープ外へとコピーされてしまうので zval そのものは通常共有しない zval が内部的に持っている zend_string や zend_array などを共有する これらは refcounted refcount が減ったときにそれがゼロでなければ、サイクルの一部かもしれない こういった参照をマークしておいて、GC の root にする > the structure is marked as potentially circular (the GC_NOT_COLLECTABLE flag is not set) ```c typedef struct _zend_refcounted zend_refcounted; struct _zend_refcounted { zend_refcounted_h gc; }; typedef struct _zend_refcounted_h { uint32_t refcount; /* reference counter 32-bit */ union { uint32_t type_info; } u; } zend_refcounted_h; ``` https://www.phpinternalsbook.com/php7/zvals/references.html https://www.phpinternalsbook.com/php7/internal_types/strings/zend_strings.html ハッシュのキャッシュ (h) を持っている intern することができる opcache を使う場合、リクエスト処理の外で intern した文字列はプロセス間やスレッド間で共有される IS_STR_PERMANENT フラグが立てられる https://www.phpinternalsbook.com/php7/extensions_design/php_lifecycle.html GINIT global init MINIT module init RINIT request init RSHUTDOWN request shutdown RPSHUTDOWN request post shutdown MSHUTDOWN module shutdown GSHUTDOWN global shutdown ``` // 前とは名前が変わったらしい #define PHP_MINIT_FUNCTION ZEND_MODULE_STARTUP_D #define PHP_MSHUTDOWN_FUNCTION ZEND_MODULE_SHUTDOWN_D #define PHP_RINIT_FUNCTION ZEND_MODULE_ACTIVATE_D #define PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION ZEND_MODULE_DEACTIVATE_D #define PHP_MINFO_FUNCTION ZEND_MODULE_INFO_D #define PHP_GINIT_FUNCTION ZEND_GINIT_FUNCTION #define PHP_GSHUTDOWN_FUNCTION ZEND_GSHUTDOWN_FUNCTION // RPSHUTDOWN はなくなった？ ``` CLI は一つのリクエストを処理して終了するという扱い https://www.phpinternalsbook.com/php7/extensions_design/globals_management.html リクエスト間で共有される状態をどう管理すればよいか？ プロセスベースで並列処理をおこなうなら、グローバル変数を使えばよい スレッドベースで並列処理をおこなうなら、thread-local 領域に保存する コンパイルオプションに応じて自動で切り替えるマクロがある 初期化したあと参照しかしないならグローバル変数でもよい https://www.phpinternalsbook.com/php7/memory_management/zend_memory_manager.html Zend Memory Manager (ZendMM; ZMM) は per-requset な allocator emalloc/efree memory_limit の監視もおこなう persistent allocator (malloc/free) によって管理される領域は関知しない shared-nothing アーキテクチャ リクエスト間で共有されるデータが (ほとんど) ない heap chunk map page bin huge_list 説明しない zend_gc.c * BLACK (GC_BLACK) - In use or free. GC の対象外 * GREY (GC_GREY) - Possible member of cycle. サイクルの可能性あり * WHITE (GC_WHITE) - Member of garbage cycle. ゴミサイクルの一部 * PURPLE (GC_PURPLE) - Possible root of cycle. サイクルの起点の可能性あり gc_mark_roots からスタート possible roots を traverse purple なオブジェクトに対して DFS、mark_grey を呼び出していく gc_scan_roots 各 root に対して gc_scan を呼ぶ grey で refcount > 0 gc_scan_black を呼ぶ 解放できるかもしれないと思ったが、使用中なので解放できないことがわかった => 子も含めて black で塗り直す grey で refcount = 0 white としてマーク (ゴミ確定) A node MAY be added to possible roots when ZEND_UNSET_VAR happens or zend_assign_to_variable is called only when possible garbage node is produced. gc_possible_root() will be called to add the nodes to possible roots. zend_gc_collect_cycles gc_mark_roots gc_scan_roots gc_collect_roots gc_compact gc_mark_roots すべての purple な roots に対して、 grey にする gc_mark_grey を呼び出す gc_mark_grey すべての子に対して、 refounct を 1減らす grey でなければ grey で塗る gc_scan_roots すべての grey な roots に対して、 white にする gc_scan を呼び出す gc_scan 自身が white でなければ終わり refcount > 0 なら自身を black にして gc_scan_black を呼ぶ refcount = 0 なら子をチェックして、grey だったら white に gc_scan_black refcount を 1増やして再帰的に black に gc_collect_roots black な roots を root buffer から消す すべての white な roots に対して black にする gc_collect_white を呼ぶ gc_collect_white 自身を garbage とマーク すべての子に対して、 refcount を 1増やす white なら black にする gc_compact Two-finger compaction algorithm いわゆる「コンパクション」ではなく、GC の root objects を貯めておくバッファをコンパクションしている 先頭に使っている root objects を持ってきて、後ろに未使用 objects を持っていく zend_gc_collect_cycles が呼ばれるタイミング gc_possible_root_when_full から (だけ) あとは PHP レベルで gc_collect_cycles() を呼んだときだけ gc_possible_root_when_full は gc_possible_root からだけ呼ばれる root buffer が一杯になったときだけ解放処理が走る gc_possible_root が呼ばれるタイミング gc_check_possible_root gc_check_possible_root_no_ref zend_object_release refcount を減らしたときに 0 でなければ root かもしれない ただし GC_NOT_COLLECTABLE フラグが立っていないオブジェクトに限る Zend/zend_vm_def.h / Zend/zend_vm_execute.h / ext/opcache/jit/zend_jit_ir.c にもあるが追うのが難しそう assign したときの元の値に対して refcount を減らしてみて、0 でないなら root かもしれない 実質的にやっていることは zend_object_release と同一に見える * zend_refcounted を持っている構造体には何がある？ * zend_string * zend_array * zend_object * zend_resource * zend_reference 弱参照 #define IS_OBJ_WEAKLY_REFERENCED GC_PERSISTENT Zend/zend_weakrefs.c グローバルに weakrefs という辞書を持っていて、object のポインタから WeakReference へ変換する zend_weakrefs_notify 弱参照されているオブジェクト側にフラグを立てておいて、フラグが立っていれば dtor からこれを呼ぶ そのオブジェクトを参照していた weakref は無効になる * GC 関係のフラグ * GC_NOT_COLLECTABLE * refcounted ではあるが、絶対に cycle の一部ではない * string * resource * reference * GC_PROTECTED * used for recursion detection * var_dump で再帰的な構造をダンプしたときとかに使われるらしい * GC_PROTECT_RECURSION * array_walk_recursive とかでも使われている * GC_IMMUTABLE * can't be changed in place * プロセス or スレッド間で共有 (opcache) * GC_PERSISTENT * allocated using malloc() * GC_PERSISTENT_LOCAL * persistent, but thread-local 一度 root buffer に入って、あとから (循環参照ではなかったために) 消えた場合どうなる？ gc_remove_from_roots gc_remove_from_buffer GC_REMOVE_FROM_BUFFER 使っている tmpvar は除外されるっぽい gc_remove_nested_data_from_buffer 消す処理自体はあるが、これらを解放処理のたびに呼んでいるわけではなさそうな気がする 再利用された場合は、少なくとも purple ではなくなるからいいのかな？ gc_collect_roots で black な root は消される 初期状態は black (数値としては 0) なはず root buffer のサイズ、今の実装だと可変っぽい ```c #define GC_DEFAULT_BUF_SIZE (16 * 1024) // 16k #define GC_BUF_GROW_STEP (128 * 1024) // 128k #define GC_MAX_UNCOMPRESSED (512 * 1024) // 512k #define GC_MAX_BUF_SIZE 0x40000000 // 1024M #define GC_THRESHOLD_DEFAULT (10000 + GC_FIRST_ROOT) #define GC_THRESHOLD_STEP 10000 #define GC_THRESHOLD_MAX 1000000000 #define GC_THRESHOLD_TRIGGER 100 gc_adjust_threshold /* TODO Very simple heuristic for dynamic GC buffer resizing: * If there are "too few" collections, increase the collection threshold * by a fixed step */ ``` あまり回収されなかったら閾値を上げる、回収量が大ければ閾値を下げる # プロポーザル ## PHP 処理系の garbage collection を理解する 〜メモリはいつ解放されるのか〜 Garbage collection (GC) とは、確保したメモリ領域を適切なタイミングで解放する仕組みのことです。 メモリが比較的潤沢になった今でも、メモリ溢れによるサーバ障害は決して珍しくありません。 PHP における GC を理解し、メモリを意識したプログラミングをすることで、本番サーバを夜中に落とさないようにしましょう。 ### 主な対象 * 普段メモリを意識してプログラミングしていないかた * 言語処理系の内部実装に興味があるかた * メモリ溢れで本番環境をダウンさせたことのあるかた ### 話すこと * PHP における GC のアルゴリズム * 確保したメモリはいつ解放されるのか * メモリ溢れを起こさないプログラミング ### 話さないこと * GC のパラメータをいじってチューニングする # 構成 * 前提知識 * メモリとは * 知っている前提で軽く流す * メモリ管理 * なぜメモリ管理が重要なのか * メモリが潤沢な時代でも... * メモリは無限ではない * 速度の話は要る？ * メモリについて何も考えていないと起こること * スラッシング * メモリ管理 * 確保と解放 * GC のモチベーション * メモリリーク・セグフォ * PHP の GC * 一言で * 参照カウント * 循環参照 * Mark & sweep * 具体的な型では？ * CoW * イミュータブル・共有 * リクエストバウンドかそれ以外か * memory_limit * Zend Memory Manager * 解放のトリガー * デストラクタ * 参照 * fclose() * GC を制御するパラメータの意味 * 弱参照 * メモリを溢れさせないために * 載らない量を載せない * 一度に扱う量を減らす * まとめ * Q&A