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深入探究PHP 数组的底层实现原理

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前言最近在看《PHP内核剖析》,关于php数组方面有所得,特此撰文一篇总结记录(∩_∩)。因为PHP的数组是很强大且很重要的数据类型,它既支持单纯的数组又支持键值对数组,其中键值对数组类似于Go语言的map但又保证了能够按顺序遍历,并且由于采用了哈希表实现能够保证基本查找时间复杂度为O(1)。所以接下来让我们了解一下PHP数组的底层实现吧~数组的结构一个数组在PHP内核里是长什么样的呢?我们可以从PHP的源码里看到其结构如下://定义结构体别名为HashTabletypedefstruct_zend_ar

本文目录

    前言

    最近在看《PHP 内核剖析》,关于 php 数组方面有所得,特此撰文一篇总结记录 (∩_∩)。因为 PHP 的数组是很强大且很重要的数据类型,它既支持单纯的数组又支持键值对数组,其中键值对数组类似于 Go  语言的 map 但又保证了能够按顺序遍历,并且由于采用了哈希表实现能够保证基本查找时间复杂度为 O(1)。所以接下来让我们了解一下 PHP 数组的底层实现吧~

    数组的结构

    一个数组在 PHP 内核里是长什么样的呢?我们可以从 PHP 的源码里看到其结构如下:

    // 定义结构体别名为 HashTable
    typedef struct _zend_array HashTable;
    
    struct _zend_array {
    	// GC 保存引用计数,内存管理相关;本文不涉及
    	zend_refcounted_h gc;
    	// u 储存辅助信息;本文不涉及
    	uNIOn {
    		struct {
    			ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
    				zend_uchar    flags,
    				zend_uchar    nApplyCount,
    				zend_uchar    nIteratorsCount,
    				zend_uchar    consistency)
    		} v;
    		uint32_t flags;
    	} u;
    	// 用于散列函数
    	uint32_t          nTableMask;
    	// arData 指向储存元素的数组第一个 Bucket,Bucket 为统一的数组元素类型
    	Bucket           *arData;
    	// 已使用 Bucket 数
    	uint32_t          nNumUsed;
    	// 数组内有效元素个数
    	uint32_t          nNumOfElements;
    	// 数组总容量
    	uint32_t          nTableSize;
    	// 内部指针,用于遍历
    	uint32_t          nInternalPointer;
    	// 下一个可用数字索引
    	zend_long         nNextFreeElement;
    	// 析构函数
    	dtor_func_t       pDestructor;
    };
    • nNumUsed 和 nNumOfElements 的区别:nNumUsed 指的是 arData 数组中已使用的 Bucket 数,因为数组在删除元素后只是将该元素 Bucket 对应值的类型设置为 IS_UNDEF(因为如果每次删除元素都要将数组移动并重新索引太浪费时间),而 nNumOfElements 对应的是数组中真正的元素个数。

    • nTableSize 数组的容量,该值为 2 的幂次方。PHP 的数组是不定长度但 C 语言的数组定长的,为了实现 PHP 的不定长数组的功能,采用了「扩容」的机制,就是在每次插入元素的时候判断 nTableSize 是否足以储存。如果不足则重新申请 2 倍 nTableSize 大小的新数组,并将原数组复制过来(此时正是清除原数组中类型为 IS_UNDEF 元素的时机)并且重新索引。

    • nNextFreeElement 保存下一个可用数字索引,例如在 PHP 中 $a[] = 1; 这种用法将插入一个索引为 nNextFreeElement 的元素,然后 nNextFreeElement  自增 1。

    _zend_array 这个结构先讲到这里,有些结构体成员的作用在下文会解释,不用紧张O(∩_∩)O哈哈~。下面来看看作为数组成员的 Bucket 结构:

    typedef struct _Bucket {
    	// 数组元素的值
    	zval              val;
    	// key 通过 Time 33 算法计算得到的哈希值或数字索引
    	zend_ulong        h;
    	// 字符键名,数字索引则为 NULL
    	zend_string      *key;
    } Bucket;

    数组访问

    我们知道 PHP 数组是基于哈希表实现的,而与一般哈希表不同的是 PHP 的数组还实现了元素的有序性,就是插入的元素从内存上来看是连续的而不是乱序的,为了实现这个有序性 PHP 采用了「映射表」技术。下面就通过图例说明我们是如何访问 PHP 数组的元素 :-D。

    全面剖析PHP 数组底层实现逻辑

    注意:因为键名到映射表下标经过了两次散列运算,为了区分本文用哈希特指第一次散列,散列即为第二次散列。

    由图可知,映射表和数组元素在同一片连续的内存中,映射表是一个长度与存储元素相同的整型数组,它默认值为 -1 ,有效值为 Bucket 数组的下标。而 HashTable->arData 指向的是这片内存中 Bucket 数组的第一个元素。

    举个例子 $a['key'] 访问数组 $a 中键名为 key 的成员,流程介绍:首先通过 Time 33 算法计算出 key 的哈希值,然后通过散列算法计算出该哈希值对应的映射表下标,因为映射表中保存的值就是 Bucket 数组中的下标值,所以就能获取到 Bucket 数组中对应的元素。

    现在我们来聊一下散列算法,就是通过键名的哈希值映射到「映射表」的下标的算法。其实很简单就一行代码:

    nIndex = h | ht->nTableMask;

    将哈希值和 nTableMask 进行或运算即可得出映射表的下标,其中 nTableMask 数值为 nTableSize 的负数。并且由于  nTableSize 的值为 2 的幂次方,所以 h | ht->nTableMask 的取值范围在 [-nTableSize, -1] 之间,正好在映射表的下标范围内。至于为何不用简单的「取余」运算而是费尽周折的采用「按位或」运算?因为「按位或」运算的速度要比「取余」运算要快很多,我觉得对于这种频繁使用的操作来说,复杂一点的实现带来的时间上的优化是值得的。

    散列冲突

    不同键名的哈希值通过散列计算得到的「映射表」下标有可能相同,此时便发生了散列冲突。对于这种情况 PHP 使用了「链地址法」解决。下图是访问发生散列冲突的元素的情况:

    全面剖析PHP 数组底层实现逻辑

    这看似与第一张图差不多,但我们同样访问 $a['key'] 的过程多了一些步骤。首先通过散列运算得出映射表下标为 -2 ,然后访问映射表发现其内容指向 arData 数组下标为 1 的元素。此时我们将该元素的 key 和要访问的键名相比较,发现两者并不相等,则该元素并非我们所想访问的元素,而元素的 val.u2.next 保存的值正是下一个具有相同散列值的元素对应 arData 数组的下标,所以我们可以不断通过 next 的值遍历直到找到键名相同的元素或查找失败。

    插入元素

    插入元素的函数 _zend_hash_add_or_update_i ,基于 PHP 7.2.9 的代码如下:

    static zend_always_inline zval *_zend_hash_add_or_update_i(HashTable *ht, zend_string *key, zval *pData, uint32_t flag ZEND_FILE_LINE_DC)
    {
    	zend_ulong h;
    	uint32_t nIndex;
    	uint32_t idx;
    	Bucket *p;
    
    	IS_CONSISTENT(ht);
    	HT_ASSERT_RC1(ht);
    	if (UNEXPECTED(!(ht->u.flags & HASH_FLAG_INITIALIZED))) { // 数组未初始化
    		// 初始化数组
    		CHECK_INIT(ht, 0);
    		// 跳转至插入元素段
    		goto add_to_hash;
    	} else if (ht->u.flags & HASH_FLAG_PACKED) { // 数组为连续数字索引数组
    		// 转换为关联数组
    		zend_hash_packed_to_hash(ht);
    	} else if ((flag & HASH_ADD_NEW) == 0) { // 添加新元素
    		// 查找键名对应的元素
    		p = zend_hash_find_bucket(ht, key);
    
    		if (p) { // 若相同键名元素存在
    			zval *data;
    			
    			if (flag & HASH_ADD) { // 指定 add 操作
    				if (!(flag & HASH_UPDATE_INDIRECT)) { // 若不允许更新间接类型变量则直接返回
    					return NULL;
    				}
    				// 确定当前值和新值不同
    				ZEND_ASSERT(&p->val != pData);
    				// data 指向原数组成员值
    				data = &p->val;
    				if (Z_TYPE_P(data) == IS_INDIRECT) { // 原数组元素变量类型为间接类型
     					// 取间接变量对应的变量
    					data = Z_INDIRECT_P(data);
    					if (Z_TYPE_P(data) != IS_UNDEF) { // 该对应变量存在则直接返回
    						return NULL;
    					}
    				} else { // 非间接类型直接返回
    					return NULL;
    				}
    			
    			} else { // 没有指定 add 操作
    				// 确定当前值和新值不同
    				ZEND_ASSERT(&p->val != pData);
    				// data 指向原数组元素值
    				data = &p->val;
    				// 允许更新间接类型变量则 data 指向对应的变量
    				if ((flag & HASH_UPDATE_INDIRECT) && Z_TYPE_P(data) == IS_INDIRECT) {
    					data = Z_INDIRECT_P(data);
    				}
    			}
    			if (ht->pDestructor) { // 析构函数存在
    				// 执行析构函数
    				ht->pDestructor(data);
    			}
    			// 将 pData 的值复制给 data
    			ZVAL_COPY_VALUE(data, pData);
    			return data;
    		}
    	}
    	// 如果哈希表已满,则进行扩容
    	ZEND_HASH_IF_FULL_DO_RESIZE(ht);
    
    add_to_hash:
    	// 数组已使用 Bucket 数 +1
    	idx = ht->nNumUsed++;
    	// 数组有效元素数目 +1
    	ht->nNumOfElements++;
    	// 若内部指针无效则指向当前下标
    	if (ht->nInternalPointer == HT_INVALID_IDX) {
    		ht->nInternalPointer = idx;
    	}
        
    	zend_hash_iterators_update(ht, HT_INVALID_IDX, idx);
    	// p 为新元素对应的 Bucket
    	p = ht->arData + idx;
    	// 设置键名
    	p->key = key;
    	if (!ZSTR_IS_INTERNED(key)) {
    		zend_string_addref(key);
    		ht->u.flags &= ~HASH_FLAG_STATIC_KEYS;
    		zend_string_hash_val(key);
    	}
    	// 计算键名的哈希值并赋值给 p
    	p->h = h = ZSTR_H(key);
    	// 将 pData 赋值该 Bucket 的 val
    	ZVAL_COPY_VALUE(&p->val, pData);
    	// 计算映射表下标
    	nIndex = h | ht->nTableMask;
    	// 解决冲突,将原映射表中的内容赋值给新元素变量值的 u2.next 成员
    	Z_NEXT(p->val) = HT_HASH(ht, nIndex);
    	// 将映射表中的值设为 idx
    	HT_HASH(ht, nIndex) = HT_IDX_TO_HASH(idx);
    
    	return &p->val;
    }

     扩容

    前面将数组结构的时候我们有提到扩容,而在插入元素的代码里有这样一个宏 ZEND_HASH_IF_FULL_DO_RESIZE,这个宏其实就是调用了 zend_hash_do_resize 函数,对数组进行扩容并重新索引。注意:并非每次 Bucket 数组满了都需要扩容,如果 Bucket 数组中 IS_UNDEF 元素的数量占较大比例,就直接将 IS_UNDEF 元素删除并重新索引,以此节省内存。下面我们看看 zend_hash_do_resize 函数:

    重新索引的逻辑在 zend_hash_rehash 函数中,代码如下:

     总结

    嗯哼,本文就到此结束了,因为自身水平原因不能解释的十分详尽清楚。这算是我写过最难写的内容了,写完之后似乎觉得这篇文章就我自己能看明白/(ㄒoㄒ)/~~因为文笔太辣鸡。想起一句话「如果你不能简单地解释一样东西,说明你没真正理解它。」PHP 的源码里有很多细节和实现我都不算熟悉,这篇文章只是一个我的 PHP 底层学习的开篇,希望以后能够写出真正深入浅出的好文章。

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