PHP的变量是弱类型的，也实现了如整型、浮点型、字符串、数组和对象等类型。PHP中的变量是使用结构体zval来表示的，在介绍PHP 7的zval之前，先了解一下PHP 5的zval设计。

1.PHP 5的zval

首先来看PHP 5中_zval_struct（zval）这个结构体：

PHP 5的zval核心由一个zvalue_value类型的联合体和zend_uchar类型的type组成。在PHP 5.3之后相继引入了refcount__gc字段通过引用计数进行垃圾回收，同时增加了新的字段is_ref__gc来标记是否为引用类型。默认在i386:x86-64架构下，上面的zvalue_value结构体中lval和dval大小为8字节，str结构体大小为12字节，ht和ast是指针类型，大小为8字节，obj结构体大小为12字节，所以在内存对齐的情况下_zval_struct中的value大小为16字节，加上refcount__gc大小为4字节和两个1字节的type、is_ref__gc, _zval_struct结构体本身大小为24字节（考虑到结构体对齐）。根据3.1.2节中讨论的结构体和联合体的知识，PHP 5中zval的示例如上图所示。

图：PHP5中 _zval_struct的大小

这是不是说，PHP 5中一个变量就占用一个zval呢？其实不是的。PHP 5中现有的zval结构里每个字段都有明确的定义，不可轻易修改，因此在PHP 5时代一些对zval的优化都是通过结构映射的方式，例如在PHP 5.3之后为了解决循环引用的问题，通过重写分配zval的宏，对zval进行扩充。新的分配方法如下所示：

这里申请的结构体为_zval_gc_info，是由一个zval结构体和一个u联合体组成的，其中u大小为8字节，_zval_gc_info结构体如下所示：

通过这种方式，PHP 5中一个变量实际分配了32字节，如下图所示。

图：PHP5中 _zval_struct的实际大小

扩充后的zval带来了新的问题，因为整型和浮点型不需要进行gc，所以对于整型和浮点型会有内存浪费。不仅如此，在开启Zend内存池的情况下，zval_gc_info在内存池中分配，内存池会为每个zval_gc_info额外申请一个大小为16字节的zend_mm_block结构体（限于篇幅，这里不展开讨论），用来存放内存相关信息。zend_mm_block结构如下（size_t占用8字节）：

最终一个变量在PHP 5中实际占用的内存大小为48字节，内存占用情况如下图所示。

图：PHP 5中变量实际占用的内存大小

这48字节的大小其实有很多的浪费，而这点PHP开发者在PHP 7中做了重点优化，那么接下来看一下PHP 7中zval的实现。

2.PHP 7的zval

PHP 7中zval结构体有了一些变化，zval依然保留了value字段，但跟PHP 5不同的是value里面支持更丰富的类型，且PHP 7的zval不再存储复杂类型的结构，复杂类型的数据都是通过指针操作的，新的联合体中value的内存占用只有8字节。zval结构体如下所示：

保留的value字段，它在PHP 7中的定义如下所示：

从上面的定义可以看出，value支持更多的类型。除了value字段之外，zval结构体中还有两个重要的字段u1和u2，它们都是联合体结构，却各有用途。

（1）u1中的字段含义

1）type：记录变量类型。

2）type_flag：对应变量类型特有的标记，不同类型的变量对应的flag也不同。所对应的标记如下：

3）const_flag：常量类型的标记，对应的属性有：

PHP 7的zval类型字段改为使用联合体结构中的u1.v.type表示，u1由type_info和结构体v组成，由3.1.2节中联合体的知识可知道，v和type_info共享一块内存，两个字段长度均为4字节，修改type_info等同于修改结构体v中的值，其实type_info就是v中的4个char的组合，如下图所示。

图：u1中v和type_info的关系

以字符串为例，字段u1.v.type值为6（IS_STRING,3.2.3节会详细讨论PHP 7中的变量类型），同时字符串又是可以引用和可拷贝的，因此u1.v.type_flag值为24（S_TYPE_COPYABLE | IS_TYPE_REFCOUNTED），这样u1.type_info值为6150。在PHP 7开始的版本通过value和u1已经可以表示任何类型，并记录一些类型的属性。另外还有一个u2，其实是后来增加的辅助字段，u2里面的字段均是uint32_t类型，占用4字节，所以u2的大小是4字节，这样zval总共占用的内存是16字节，但是如果没有u2字段，在内存对齐的情况下，zval同样占用16字节。与其浪费，不如用来记录一些特殊信息。那么u2都记录了哪些信息呢？

（2）u2中的字段信息

1）next：用来解决哈希冲突问题，记录冲突的下一个元素位置，具体会在第5章中详细说明。

2）cache_slot：运行时缓存。在执行函数时会优先去缓存中查找，若缓存中没有，会在全局的function表中查找。

3）lineno：文件执行的行号，应用在AST节点上。Zend引擎在词法和语法解析时会将当前文件的行号记录下来，记录在zend_ast中的lineno中，如果zend_ast这个节点的kind刚好是ZEND_AST_ZVAL（值为64），则会将该zend_ast强制转换成zend_ast_zval类型，而对应的lineno则记录在zend_ast_zval结构体中内嵌的zval里。这部分会在第11章中详细展开。

4）num_args：函数调用时传入参数的个数。

5）fe_pos：遍历数组时的当前位置。比如在对数组执行foreach时，fe_pos每执行一次都会加1。当再次调用foreach对数组遍历时，会首先对数组的fe_pos指针重置。这同样也会在第5章中详细说明。

6）fe_iter_idx：跟fe_pos用途类似，只是这个字段是针对对象的。对象的属性也是HashTable，传入的参数是对象时，会获取对象的属性表，因此遍历对象就是遍历对象的属性。

7）access_flags：对象类的访问标志，常用的标识有public、protected、private。这个会在第6章中阐述。

8）property_guard：防止类中魔术方法的循环调用，比如__get、__set等。通过上面的介绍发现，u2的辅助字段里面记录了很多类型的信息，这些信息对内部功能的实现都有很大好处，或提升了缓存友好性或减少了内存寻址的操作。同时相对于PHP 5时代的zval, PHP 7的zval节省了很大的内存。PHP 7的zval内存占用如下图所示。

图：PHP 7的zval内存占用

在PHP 5时代，所有的变量都在堆中申请，但是对于临时变量是没有必要的，而PHP 7对此做了优化，这种临时变量直接在栈中申请。接下来先讨论一下PHP 7的变量类型。

3.PHP 7变量

类型PHP 7中变量的类型定义在zend_types.h文件中，不仅有常见的类型，还有一些只在内部使用的类型，具体定义如下：

PHP 7中定义了20种宏，用来标记u1.v.type字段，其中伪类型将逐渐淘汰，这里暂不讨论。根据不同的type值取value中对应的不同值。以u1.v.type值为IS_ARRAY为例，那么取value.arr的值，对应zend_array。同样，如果u1.v.type值为IS_LONG，通过value. lval取值。

除了常见类型之外，这里有几个新增的类型需要注意。

1）IS_UNDEF：标记未定义，表示数据可以被覆盖或者删除。比如在对数组元素进行unset操作时，PHP 7并不会直接将数据从分配给HashTable的内存中删掉，而是先将该元素所在的Bucket的位置标记为IS_UNDEF，当HashTable中IS_UNDEF元素个数到达一定阈值时，进行rehash操作时再将IS_UNDEF标记的元素覆盖或删除。

2）IS_TRUE和IS_FALSE：这里将IS_BOOL优化成两个，直接将布尔类型的标记记录在type中，这样做可以优化类型的检查，不需要再做一次类型判断。

3）IS_REFERENCE：是新增的类型，PHP 7中使用不同的处理方式来处理“&”，后面展开阐述。

4）IS_INDIRECT：同样也是新增的类型，由于PHP 7中HashTable的设计跟PHP5中有很大的不同，所以在解决全局符号表访问CV变量表的问题上，引入了IS_INDRECT类型。

5）IS_PTR：该类型被定义为指针类型，用来解析value.ptr，通常用在函数类型上。比如声明一个函数或者方法。

6）_IS_ERROR：为新增的错误类型，校验zval的类型是否合法。介绍完PHP 7中变量的类型，下面来对每种类型进行详细的探讨。

4.整型和浮点型

对于整型和浮点型的数据，由于其占用空间小，在zval中是直接存储的，所以在进行赋值的时候会直接创建两个zval，在对应的value中取lval或dval。举例如下：

对于上面的代码，详细说明如下。

❑ 对于$a=10，是一个整型变量，将生成一个zval，其中u1.v.type=IS_LONG，整型value.lval=10。

❑ 对于$b = $a，此时，直接拷贝了一个zval，因为zval只有16字节，所以这里没有做写时拷贝（copy-on-write），而是直接做了拷贝。

❑ 对于$a=20，此时，修改了a对应的value.lval=20，而b对应的value.lval并不改变。

❑ 对于unset($a)，此时，修改a的u1.v.type=IS_UNDEF，但此时并不是真正把内存释放，因为b是拷贝出来的，也不会受影响。

同样对于浮点型的变量类型，对应的u1.v.type=IS_DOUBLE，使用的是value.dval，而dval恰好是double型的。整体而言，PHP 7对整型和浮点型变量的实现比较简单，非常容易理解。接下来讨论一下字符串类型变量的实现。

5.字符串类型

PHP 7中定义了一个新的结构体_zend_string，第4章会详细介绍，这里简单说一下，其结构如下：

_zend_string的头部维护着gc的信息，并且冗余了hash值h，这个操作据说为PHP7提高了5%的性能，避免了在数组操作中hash值的重复计算。len表示字符串的长度，val记录了字符串的内容。这里的val值采用了柔性数组（被收入到C99标准中），这种方式相较于PHP 5中的字符串与结构体分离，读写的效率更高。PHP 7中的字符串是通过zval.str指向zend_string结构体的，如下图所示。

图：PHP 7中的字符串

字符串类型有不同的属性维护在头部的zend_refcounted_h结构体中，比如PHP 7中有一种内部字符串INTERNED STRING，而作用于字符串本身有IS_STR_INTERNED标志位，但不是zval的。字符串中还有一些类似的标志位：

6.数组

数组是PHP代码中比较重要的一个结构，本质上PHP的数组是有序的字典，即它们表示key-value对的有序列表，其中key-value映射是使用HashTable实现的。PHP将字符串key通过哈希函数运算返回一个整数。这个整数被用作“普通”数组的索引。但是带来新的问题是，两个不同的字符串可能得到相同的哈希值，因此这样的HashTable需要实现某种机制来解决冲突。

PHP 7中HashTable的经过有了很大的改变，也为PHP 7带来了巨大的性能提升。本书第5章有详细阐述，这里暂不做讨论。这里想说的是HashTable结构体头部包含gc结构体，如下面的代码所示：

头部的gc结构体解决数组的引用计数和循环引用的问题，第4节有详细讲解，暂不在这里展开。

7.引用

说到引用的问题，不得不说一下PHP中传值和传址的区别。

传值即PHP代码中的赋值操作，如上面的代码所示，当改变$b值时，$a的值需要保持不变，因此需要在此分离。传址意味着当改变$b的值时，$a也会跟着变。

从PHP 7的zval设计上可以看到，zval没有存储引用计数的相关信息，所以在处理“&”符号引用的问题上，PHP 7采用完全不同的一种方式。先来看看PHP 5是如何处理的。PHP 5在引入引用计数后，使用了refcount__gc来记录次数，同时使用is_ref__gc来记录是否是引用类型。以上面的例子为例：

将$a赋值给$b, refcount__gc会增加，但是并不会改变引用类型。当使用“&”操作时，将$b赋值给$c, zval的is_ref__gc值会改变，使得此的zval必须进行分离，但是实际上它们的值还没有变化，这使得需要在堆中维护两个值为“hello”的zval。PHP 7引入了新的类型IS_REFERENCE来处理这个问题，首先看看zend_reference的结构体：

zend_reference由记录gc信息的zend_refcounted_h结构体和zval结构体组成，由val来存储实际的值，zend_refcounted_h结构体用来存储引用计数的信息。前面提到过，在PHP 7中复杂类型的引用计数的信息都记录在自身头部的gc中，zval没有存储引用计数的字段，所以增加了这种结构用于垃圾回收。下面看看PHP 7中使用传址时变量结构的变化：

从上面的流程中可以看出，当使用“&”操作时，会创建一种新的中间结构体zend_reference，这个结构体会指向真正的zend_string结构体，所以zend_string结构体的引用计数不变，同时zend_reference结构体的引用计数变为2，因为$c和$b此时的类型都会变为zend_reference。这样的好处是原始的zend_string在内存中始终只有一份（避免了由于字符串的重复申请导致的内存浪费），更加易于维护。在进行赋值时字符串只会增加引用计数，下图所示是正常的赋值。

图：$b = $a的赋值过程

当使用“&”后，会改变“=”号两边的变量的类型，新生成的类型指向字符串当前的地址，如下图所示。

图：进“&”操作之后的示意图