从底层原理深入理解 PHP 的引用 “&”

在PHP中正确使用引用符（&）可以提高程序运行效率，并且更加节约内存空间。但是在不理解引用原理的时候滥用引用符是极其危险的，往往会造成意料之外的错误。

1.变量的底层存储结构zval

PHP运行核心是Zend引擎，用纯C语言实现，是PHP的内核部分，它将PHP代码翻译（词法、语法解析等一系列编译过程）为可执行opcode的处理并实现相应的处理方法、实现了基本的数据结构（如hashtable、oo）、内存分配及管理、提供了相应的api方法供外部调用，是一切的核心，所有的外围功能均围绕Zend实现。（参见之前转载的 PHP的底层运行机制与原理）

zval是Zend引擎中的一个重要存储结构，作为变量真实的容器，用来标识并实现PHP变量。其数据结构如下：



一个zval变量容器，除了包含变量的类型和值，还包括两个字节的额外信息。第一个是”is_ref”，是个bool值，用来标识这个变量是否是属于引用集合。第二个额外字节是”refcount”，用以表示指向这个zval变量容器的变量个数，即引用计数。

利用 xdebug 可以查看变量的 is_ref 和 refcount 值。

2. 引用传值原理

Zend通过引用计数，多个变量可以共享同一份数据。避免频繁拷贝带来的大量消耗。

is_ref 记录是否引用赋值，（取值 false 或 1）。

refcount 记录zval被变量的引用次数，即引用计数。

在进行赋值操作时，zend将变量指向相同的zval同时ref_count++，在unset操作时，对应的ref_count-1。只有refcount减为0时才会真正执行销毁操作。如果是引用赋值，则zend会修改is_ref为1。

PHP变量通过引用计数实现变量共享数据，那如果改变其中一个变量值呢？当试图写入一个变量时，Zend若发现该变量指向的zval被多个变量共享，则为其复制一份refcount为1的zval，并递减原zval的refcount，这个过程称为“zval分离”。

当 is_ref为1 时，对指向zval的其中一个变量重新赋值，则直接改变zval的值，此时所有指向本zval的变量值都发生改变。

下面通过 xdebug 举几个案例：

（1）将变量值赋值给另一个变量，不会生成新的zval，而是在本zval的引用计数refcount + 1；

$a = 333;
xdebug_debug_zval('a');
$b = $a;
xdebug_debug_zval('a');

上例输出：

a:

(refcount=1, is_ref=0),int 333

a:

(refcount=2, is_ref=0),int 333

（2）使用引用传值赋值给另一个变量，不会生成新的zval，而是在本zval的引用计数refcount + 1，同时将is_ref改为1；

$a = 333;
xdebug_debug_zval('a');
$b = &$a;
xdebug_debug_zval('a');

上例输出：

a:

(refcount=1, is_ref=0),int 333

a:

(refcount=2, is_ref=1),int 333

（3）当试图写入一个变量时，Zend若发现该变量指向的zval被多个变量共享，则为其复制一份refcount为1的zval，并递减原zval的refcount，这个过程称为“zval分离”。

$a = 333;
xdebug_debug_zval('a');
$b = $a;
xdebug_debug_zval('a');
$b = 444;
xdebug_debug_zval('a');
xdebug_debug_zval('b');

上例输出：

a:

(refcount=1, is_ref=0),int 333

a:

(refcount=2, is_ref=0),int 333

a:

(refcount=1, is_ref=0),int 333

b:

(refcount=1, is_ref=0),int 444

（4）引用传值时，对指向zval的其中一个变量重新赋值，则直接改变zval的值，此时所有指向本zval的变量值都发生改变。

$a = 333;
xdebug_debug_zval('a');
$b = &$a;
xdebug_debug_zval('a');
$b = 444;
xdebug_debug_zval('a');
xdebug_debug_zval('b');

上例输出：

a:

(refcount=1, is_ref=0),int 333

a:

(refcount=2, is_ref=1),int 333

a:

(refcount=2, is_ref=1),int 444

b:

(refcount=2, is_ref=1),int 444

3.引用能做什么

（1）引用不存在的变量会自动创建该变量（默认值为null）。

function foo(&$var) { }

foo($a);
echo $a;     // 输出null

$b = array();
foo($b['b']);
var_dump(array_key_exists('b', $b)); // bool(true)

$c = new StdClass;
foo($c->d);
var_dump(property_exists($c, 'd')); // bool(true)

（2）引用传递变量。

function foo(&$var)
{
$var++;
}

$a=5;
foo($a);
echo $a;   //输出6