PHP内核详解· 内存管理篇（二）· 分配巨大块内存

KevinLyu
53 阅读7分钟

一、内存的分配过程

PHP 的内存分配机制主要通过 zend_alloc.h 中的 emalloc() 宏和 safe_emalloc() 宏实现。

emalloc() 宏的调用路径如下：

emalloc()
 └── _emalloc()
      └── zend_mm_alloc_heap()

safe_emalloc() 宏的调用路径如下：

safe_emalloc()
 └── _safe_emalloc()
      └── _emalloc()
           └── zend_mm_alloc_heap()

它们的区别在于：safe_emalloc() 宏在执行前会进行内存溢出检测（见“带安全保护的内存分配”章节）。无论哪种方式，最终都调用 zend_mm_alloc_heap() 函数完成内存分配。

zend_mm_alloc_heap() 函数根据分配的内存大小调用不同的内部函数：

内存大小调用函数
小于等于 ZEND_MM_MAX_SMALL_SIZE（3072B）zend_mm_alloc_small() 函数
小于等于 ZEND_MM_MAX_LARGE_SIZE（2MB - 512B）zend_mm_alloc_large() 函数
大于 ZEND_MM_MAX_LARGE_SIZE（2MB - 512B）zend_mm_alloc_huge() 函数

zend_mm_alloc_heap() 函数的代码如下：

static zend_always_inline void *zend_mm_alloc_heap(zend_mm_heap *heap, size_t size) {
    void *ptr;
    // 小块内存（<= 3072B）
    if (EXPECTED(size <= ZEND_MM_MAX_SMALL_SIZE)) {
        ptr = zend_mm_alloc_small(heap, ZEND_MM_SMALL_SIZE_TO_BIN(size));
        return ptr;
    } else if (EXPECTED(size <= ZEND_MM_MAX_LARGE_SIZE)) {
        ptr = zend_mm_alloc_large(heap, size);
        return ptr;
    } else {
        return zend_mm_alloc_huge(heap, size);
    }
}

如上所示，大部分与内存管理相关的函数都以 zend_mm_heap *heap 作为首个参数。一般情况下，全局只维护一个 zend_mm_heap 实例。

二、内存大小的对齐

为了提高查找性能，内存管理器通常会将分配大小向上对齐到 2 的幂次方（如 4KB、2MB 等）。

例如：

  • 若对齐数为 4KB，需要分配 3KB 的内存，系统会调整为 4KB。
  • 若需要分配 13KB，则调整为 16KB。

用于对齐的核心宏有两个：

  • ZEND_MM_ALIGNED_OFFSET() 宏：在分配和释放时常用。
  • ZEND_MM_ALIGNED_SIZE_EX() 宏：用于 zend_mm_alloc_huge() 函数修正所需内存空间大小。

小块内存分配相对复杂，而巨大块（huge block）的逻辑最为直观。以下从巨大块分配开始介绍。

三、分配巨大块内存

当内存请求超过 ZEND_MM_MAX_LARGE_SIZE（2MB - 512B）时，会调用 zend_mm_alloc_huge() 函数分配巨大块：

// 分配内存时，需要传入 heap 指针和分配的内存大小（size）两个参数
static void *zend_mm_alloc_huge(zend_mm_heap *heap, size_t size)

分配内存前，先调用 ZEND_MM_ALIGNED_SIZE_EX() 宏来修正所需空间大小，使其向上取整到 2MB 并检测内存空间是否足够：

size_t new_size = ZEND_MM_ALIGNED_SIZE_EX(size, alignment);

随后进入核心分配流程：

zend_mm_alloc_huge()
 ├── zend_mm_chunk_alloc()
 │    └── zend_mm_chunk_alloc_int()
 │         └── zend_mm_mmap()
 │
 └── zend_mm_add_huge_block()
  • zend_mm_chunk_alloc() 函数：负责 chunk 的分配。
  • zend_mm_mmap() 函数：向操作系统申请物理内存；在 Windows 下调用 VirtualAlloc() 函数，在 Unix/Linux 下调用 mmap() 函数。

作为跨平台抽象层，zend_mm_mmap() 函数屏蔽了底层系统调用差异，统一了分配路径的接口与语义。

四、矫正内存指针

为了在运行时以位运算快速判定任意指针的归属并简化页索引，zend_alloc 需要将 chunk 起始地址对齐到 2MB 边界。

zend_mm_chunk_alloc_int() 函数在第一次分配后，会使用 ZEND_MM_ALIGNED_OFFSET() 宏检查内存指针是否对齐到 2MB。如果未对齐，会执行以下操作：

  1. 释放该块内存；
  2. 重新分配一块更大的内存，比原始块多出 2MB - 4KB；
// 这是第二次调用 zend_mm_mmap() 函数来分配内存
ptr = zend_mm_mmap(size + alignment - REAL_PAGE_SIZE);
  1. 在新分配的内存中，将指针向右偏移至第一个对齐到 2MB 的位置，作为新内存块的起始地址；
  2. 保留所需大小的内存块，将前后多余部分释放。

这整个过程称为 矫正内存指针（Memory Pointer Correction），是内存分配中至关重要的一步。其目的在于保证每个 chunk 起始地址与 2MB 边界对齐，便于快速计算 chunk 所属范围和映射索引。

矫正后的每个 chunk 的起始与结束地址都是 2MB 的倍数。此时，任意指针只需调用 ZEND_MM_ALIGNED_BASE()宏即可定位到其所属 chunk 的起始地址，无需在结构体中额外存储该信息。

同理，对于 page 也是如此。由于 chunk 的起始地址对齐到 2MB，内部的每个 page 也自然对齐到 4KB，从而简化了 page 内存索引。

在上述四个步骤中，后两个步骤在不同操作系统上有不同的实现方式。

Windows 平台

在 Windows 操作系统中，第二次调用 zend_mm_mmap() 函数分配的内存不会直接使用，而是立即释放。这次分配只是为了确定一块可用的内存空间。随后系统根据偏移量调整指针位置，使指针对齐到正确位置，并通过 zend_mm_mmap() 函数进行第三次分配：

zend_mm_munmap(ptr, size + alignment - REAL_PAGE_SIZE); // 释放第一次分配的内存
ptr = zend_mm_mmap_fixed((void*)((char*)ptr + offset), size); // 指针偏移到正确的位置
ptr = zend_mm_mmap(size + alignment - REAL_PAGE_SIZE);// 第三次分配

经过三次分配后，最终获得的内存块位置对齐且大小正确，可直接使用。这种多次映射方式是为了兼容 Windows 内存管理特性，性能开销可忽略。

非 Windows 平台

在非 Windows 操作系统中，不会释放第二次分配的内存，而是释放开头未对齐部分与尾部多余部分，仅保留中间对齐区域：

offset = alignment - offset; // 计算偏移差值
zend_mm_munmap(ptr, offset); // 释放这块内存开头没有对齐的部分
ptr = (char*)ptr + offset; // 把指针移动到对齐的位置上
...
zend_mm_munmap((char*)ptr + size, alignment - REAL_PAGE_SIZE); // 释放结尾多出来的部分

这种方式的实现更加直接，但两者在逻辑上是等价的。

把内存大小和起始位置指针都对齐到 2MB 以后，可以简化查找逻辑和数据结构，减少内存开销，带来优异的查找性能。

五、更新巨大块内存链表

分配完内存后，通过 zend_mm_add_huge_block() 函数将其添加到 heap 的链表中，这一链表不仅用于记录所有巨大块的分配情况，也在内存回收阶段发挥关键作用，用于追踪并释放对应的物理内存，从而形成完整的内存管理闭环。

// 创建一个链节点
zend_mm_huge_list *list = (zend_mm_huge_list*) zend_mm_alloc_heap(heap, sizeof(zend_mm_huge_list));
list->ptr = ptr; // 巨大块内存指针
list->size = size; // 内存大小
list->next = heap->huge_list; // next指针关联到原列表开头
heap->huge_list = list; // 本块（的指针封装）作为huge块链表开头

zend_mm_huge_list 结构体定义如下：

typedef struct  _zend_mm_huge_list zend_mm_huge_list; // 别名

// 巨大块内存链表元素
typedef struct _zend_mm_huge_list {
    void *ptr; // 巨大块内存的指针
    size_t size; // 指向内存的大小
    struct _zend_mm_huge_list *next; // 指向下一个同类元素
};

通过这种方式，所有巨大块被串联为单向链表，便于统一管理与回收。至此，巨大块分配的流程已完整闭环。

小结

本章系统梳理了 PHP 内存分配的整体流程，重点阐述巨大块（huge block）的分配与对齐原理。巨大块通过直接与操作系统交互进行内存映射，兼具高效与低开销的特点。下一篇文章将进一步分析大块（large block）与小块（small block）的分配逻辑，以及它们在 zend_mm_heap 内部的运作机制。

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～

本文项目地址：github.com/xuewolf/php…

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