PHP 数组的内部实现

前言

这几天在翻github的时候, 碰巧看到了php的源码, 就 down 下来随便翻了翻. 地址: https://github.com/php/php-src

那么PHP中什么玩意最引人注目嘞? 一定是数组了, PHP中的数组太强大了, 于是就想着不如进去看看数组的实现部分. 这篇文章打算全程针对代码进行解读了.

以下代码基于最新 php8.1. commitId: ea62b8089acef6551d6cece5dfb2ce0b040a7b83 .感兴趣的可自行下载查看.

探究

首先, 如此强大的数组功能应该是有单独文件进行定义的. 因此搜索了array.h array.c文件, 哎, array.c文件是存在的.

查看后发现, array.c文件中定义了PHP数组的系统函数, 比如krsort count等等. 但是, array的实现又在哪里呢?

随便找一个方法array_flip, 其中第一行定义变量如下:

zval *array;

也就是说, 方法接收的参数是结构体zval. 但是, zval这个结构体看名字应该是变量而不是数组啊. 果然, 再看下面变量的使用:

image-20220306202851666

拿到变量后, 判断变量的类型, 会根据不同类型进行不同的处理.

那么这里为什么不直接接数组类型呢? 因为PHP的弱类型, 所有的变量都是zval, 其实际类型定义在zval结构体中. 这里顺便看一下zval结构体的实现:

(从这里开始, 下方所有内容不再详细说明查找过程, 反正就七找八找的)

zval

zval结构体定义在zend_types.h文件中, 这就是PHP弱类型的秘密了. 对其中各个部分的个人理解, 以注释的形式添加到代码中了.

/*
* 其在 大端和小端 使用了不同的顺序定义. 
* 想来是为了解决大小端环境的问题, 保证在不同的设备上可以读取到相同的位
*/
#ifdef WORDS_BIGENDIAN
# define ZEND_ENDIAN_LOHI_3(lo, mi, hi)    hi; mi; lo;
#else
# define ZEND_ENDIAN_LOHI_3(lo, mi, hi)    lo; mi; hi;
#endif

// 对不同变量类型的定义
/* Regular data types: Must be in sync with zend_variables.c. */
#define IS_UNDEF                    0
#define IS_NULL                     1
#define IS_FALSE                    2
// ...

// 进行结构体的重命名
typedef struct _zval_struct     zval;

/*
* 变量联合体定义.
* 此联合体和保存各种类型的变量
*/
typedef union _zend_value {
    zend_long         lval; // 8B
    double            dval; // 8B
    zend_refcounted  *counted; // 引用计数. 8B
    zend_string      *str; // 字符串. 8B
    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; // 8B
} zend_value; // 综上: 8B

// 变量的结构体
struct _zval_struct {
    // 使用 zend_value 联合体保存当前元素的值. 8B
    zend_value        value;            /* value */
    /*
    * 用来保存变量类型
    * 这里为什么要使用联合体呢?
    * 众所周知, 联合体中变量是共用内存的
    * 而其中的两个内容都是4字节的.
    * 因此, 我认为是为了方便使用.
    * 在统一操作时可使用 type_info, 有可以通过结构体分别获取每一位
    * (不过这只是个人理解, 没有进行求证)
    */
    union {
        uint32_t type_info; // 4B
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_3(
                // 用来保存当前变量的类型. 也就是上面的一批定义. 1B
                zend_uchar    type,         /* active type */
                // 当前变量的一些标志位. 如: 常量类型/不可修改 等等. 1B
                zend_uchar    type_flags,
                union { // 2B
                uint16_t  extra;        /* not further specified */
            } u)
        } v; // 4B
    } u1; // 4B
    // 上面两个结构体共占用 12B, 而内存对其需要16B, 因此有4个字节是空着的
    // 下面的联合体可以将这4B 充分利用.
    // 这里根据不同的变量类型使用不同的变量. 比如: next, 在下面介绍数组的时候有用
    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     property_guard;       /* single property guard */
        uint32_t     constant_flags;       /* constant flags */
        uint32_t     extra;                /* not further specified */
    } u2;
};

zend_array

在查看zval的时候, 应该注意到其中的zend_array类型了. 不用看了, 看名字也知道, 数组就是它了.

为了在下面查看数组结构体时, 这里对PHP中数组的实现做一个简短的介绍.

结构介绍

众所周知, PHP中数组是通过hashTable实现的, 但是hashTable又是如何保证读取顺序的呢? 通过如下两个数组实现了一个有序 hash:

image-20220307205048722

每次新增元素都向data 数组后面添加, 这样foreach的时候遍历data 数组, 读到的顺序就和放入的顺序是一样的了.

但是, 这不就是数组么? hash呢? 如何保证读取的高效呢? 在第二个hash 数组中, hash 数组中保存的是元素在data 数组中的索引.

从数组中读取keya 元素的步骤是这样的:

  1. 计算ahash值为2
  2. idx=indexList[2]
  3. data=dataList[idx]

那么hash冲突又是如何解决的呢? 对于哈希冲突, 目前有开放寻址链表两种处理方式, 不过大部分实现都采用链表的方式. 这里也不例外.

数组中, b c dhash值均为4, 他们三个直接组成一个链表. 而index 数组中保存链表头的地址.

好, PHP数组的实现结构概念部分介绍完了. 接下来看一下PHP是如何实现的吧.

结构体

在介绍结构体代码之前, 还是得先上一个图. 在上方介绍中存在dataList indexList两个数组. 在PHP的实现中, 或许是为了节省空间. 将这两个数组合并成了一个, 只需要记录一个地址. 如下图:

image-20220307212124533

上图的说明是为了防止你看到结构体中的union会懵. 一样的, 我将自己的理解放到注释中了.

typedef struct _zend_array      zend_array;
// 没毛病, 数组的别名就是 hashTable
typedef struct _zend_array HashTable;

// 用来保存数组中的数据
typedef struct _Bucket {
    // 当前元素值
    zval              val;
    // 当前元素的 hash
    zend_ulong        h;                /* hash value (or numeric index)   */
    // 元素的 key
    zend_string      *key;              /* string key or NULL for numerics */
} Bucket;

typedef struct _zend_array HashTable;

struct _zend_array {
    zend_refcounted_h gc; // 对数组进行引用计数. 8B
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                /*
                * 标志位. 其常量定义如下:
                * #define HASH_FLAG_CONSISTENCY      ((1<<0) | (1<<1))
                * #define HASH_FLAG_PACKED           (1<<2)
                * #define HASH_FLAG_UNINITIALIZED    (1<<3)
                * #define HASH_FLAG_STATIC_KEYS      (1<<4) // long and interned strings
                * #define HASH_FLAG_HAS_EMPTY_IND    (1<<5)
                * #define HASH_FLAG_ALLOW_COW_VIOLATION (1<<6)
                */
                zend_uchar    flags,
                zend_uchar    _unused,
                zend_uchar    nIteratorsCount,
                zend_uchar    _unused2)
        } v;
        uint32_t flags; // 4B
    } u; // 4B
    // 用来保存数组中的元素信息. 这是一个数组, 记录数组首地址.
    // 关于这里的 两个数组为什么使用 联合体记录, 在上图中解释了. 
    union {
        // 用来读取上方的 hashList 8B
        uint32_t     *arHash;   /* hash table (allocated above this pointer) */
        // 用来读取上方的 dataList 8B
        Bucket       *arData;   /* array of hash buckets */
        // 当前数组中其实保存了两个数组, 但是对于key是连续数字的数组来说, arrHash 其实并不需要. 可以直接使用数组存储
        // 所以使用了 arPacked 来表示key全部为数字的, 通过标识位 HASH_FLAG_PACKED 来标识. 以节省内存占用
        // 所以, 其实对于连续数字的数组, 其底层真的是数组, 而不是 hashTable
        // 这里你可以简单的实验一下, 通过构造一个连续数字索引的数字, 然后在给其赋值一个key 为字符串的元素, 通过 memory_get_usage 函数查看内存的变化. 很明显的. 
        zval         *arPacked; /* packed array of zvals */
    }; // 8B
    // 数组中存储的元素个数. 4B
    uint32_t          nNumOfElements;
    /*
    * 向数组中添加元素时, 使用的数组索引. 
    * 此变量与 nNumOfElements 的区别是,
    * 当数组中元素释放的时候, 比如 unset 操作.
    * nNumOfElements 进行减一操作, 而 nNumUsed 变量不变.
    * 同时, 元素也并没有从数组中抹去, 仅仅是将其 type 修改为 IS_UNDEF
    * 等到下一次内存扩充的时候, 在将这些元素释放掉, 以保证释放的高效
    * 4B
    */
    uint32_t          nNumUsed;
    // 记录当前数组已经分配的地址大小. 2的 n 次幂(分配地址每次乘2). 4B
    uint32_t          nTableSize;
    // 计算 key 的 hash 散列值时使用(在下方具体介绍). 4B
    uint32_t          nTableMask;
    // 数组遍历是使用的游标, 如调用函数: next/prev/end/reset/current 等. 4B
    uint32_t          nInternalPointer;
    /*
    * 用来记录下一个元素插入时的默认 key.
    * 比如代码:
    * $arr = [];
    * $arr[] = 1; // 相当于 $arr[0]=1;
    * 但是, 你或许会疑惑, 这还需要单独记录么? 直接使用数组的大小计算不就行了?
    * 再看一段:
    * $arr = [];
    * $arr['a'] = 1;
    * $arr[] = 2; // 相当于 $arr[0] = 1;
    * 是不是懂了??
    * 8B
    */
    zend_long         nNextFreeElement;
    /*
    * 此方法在数组中的元素更新或删除时调用.
    * 若元素是引用计数的类型, 会更新其引用计数
    * 相当于元素的析构函数
    * 8B
    */
    dtor_func_t       pDestructor;
}; // 56B

nTableMask

nTableMask变量在计算元素的的散列值(在indexList中的索引)时使用.

首先在上面, indexListdataList大小相等, 且都等于nTableSize. 也就是说, 散列值的取值范围为: [-nTableSize, -1].

PHP中是如何处理的呢? 其计算规则为: nIndex = h | ht->nTableMask; 其中 nTableMask=-nTableSize.

这里简单证明一下, 还记得上面提到过, nTableMask的取值为2的 n 次幂. 我们假设长度为16. (为了简化逻辑, 以8byte 为例).

那么, nTableMask等于 -16, 其二进制补码表示为: 11110000. 我们分别使用两个极端值和nTableMask进行或运算.

1111000000000000进行或运算, 结果为11110000, 其值等于-16.

1111000001111111进行或运算, 结果为11111111, 其值等于 -1.

刚好与需要的取值范围相等. 既然是通过变量nTableSize计算得到的, 为什么要单独使用变量记录呢? 我想是为了效率吧. 毕竟hash取值的操作是很频繁的. 而位运算是很快的, 如果加上额外的计算操作会导致其效率下降.

数组插入操作

通过上面的介绍, 对于其插入操作应该如何实现想比心中有数了. 这里简单罗列一下:

//  判断需要时对数组进行扩容
#define ZEND_HASH_IF_FULL_DO_RESIZE(ht)             \
    if ((ht)->nNumUsed >= (ht)->nTableSize) {      \
        zend_hash_do_resize(ht);                    \
    }

static zend_always_inline zval *_zend_hash_add_or_update_i(HashTable *ht, zend_string *key, zval *pData, uint32_t flag)
{
    // 一些额外处理...

    // 需要时对数组进行扩充
    ZEND_HASH_IF_FULL_DO_RESIZE(ht);        /* If the Hash table is full, resize it */

add_to_hash:
    // INTERNED 字符串不会被销毁, 用来实现相同字符串共用内存
    // 当数组中所有key 都是 INTERNED 字符串
    // 那么数组释放的时候就不需要释放 key 了, 同时数组 copy 的时候也不需要增加字符串引用计数
    // HASH_FLAG_STATIC_KEYS 标记位就是用来标记数组中所有 key 均为 INTERNED 字符串
    // 若当前字符串不是 INTERNED 的, 则修改数组的标记位
    if (!ZSTR_IS_INTERNED(key)) {
        zend_string_addref(key);
        HT_FLAGS(ht) &= ~HASH_FLAG_STATIC_KEYS;
    }
    // 获取当前元素的 dataList index
    idx = ht->nNumUsed++;
    // 数组中元素内容增加
    ht->nNumOfElements++;
    // 元素赋值
    arData = ht->arData;
    p = arData + idx;
    p->key = key;
    p->h = h = ZSTR_H(key);
    // 计算 hashList index
    nIndex = h | ht->nTableMask;
    // 这一步就是用来处理 hash 冲突的
    // 将当前元素的 next 指向原来 hashList 中的值
    Z_NEXT(p->val) = HT_HASH_EX(arData, nIndex);
    // 更新 hashList
    HT_HASH_EX(arData, nIndex) = HT_IDX_TO_HASH(idx);
    // 对 val 进行赋值. 
    // 这里判断标志位 HASH_LOOKUP, 然后将 val 置为 null. 这里看了半天没看懂其作用, 如果有知道的还望不吝赐教
    if (flag & HASH_LOOKUP) {
        ZVAL_NULL(&p->val);
    } else {
        ZVAL_COPY_VALUE(&p->val, pData);
    }

    return &p->val;
}

其他的数组操作函数这里就不再罗列了, 感兴趣的下载源码自己看一下吧.

hash 函数

在上面查看函数zend_hash_do_resize的时候, 突然想到了一个有意思的事情, 函数每次扩容都是乘2的操作. 如果说, 有一个长度为65536的数组, 每一个 key 的散列值计算后均为0, 那么hashTable不就退化为链表了么?

具体是什么思路呢? 第一个元素 key 为0, 那么根据长度取模, 第二个元素就是 65536, 第三个元素就是 65536*2, 这样每次插入的时候都需要遍历链表, 导致插入效率变慢. 整个demo 试一下.

<?php

// 统计函数的耗时
function echoCallCostTime($msg, $call){
    $startTime = microtime(true) * 1000;
    $call();
    $endTime = microtime(true) * 1000;
    $diffTime = $endTime - $startTime;
    echo "$msg 耗时 $diffTime", PHP_EOL;
}

$size = 2**16;
$array = [];
echoCallCostTime('异常数组-构造', function () use ($size, &$array){
    $array = array();
    for ($i = 0; $i <= $size; $i++) {
        $key = $size * $i;
        $array[$key] = 0;
    }
});
echoCallCostTime('异常数组-首个元素访问', function () use ($array){
    $b = $array[0];
});
echoCallCostTime('异常数组-最后元素访问', function () use ($array, $size){
    $b = $array[$size * $size];
});
echoCallCostTime('普通数组-构造', function () use ($size, &$array){
    $array = array();
    for ($i = 0; $i <= $size; $i++) {
        $array[$i] = 0;
    }
});
echoCallCostTime('普通数组-首个元素访问', function () use ($array){
    $b = $array[0];
});
echoCallCostTime('普通数组-最后元素访问', function () use ($array, $size){
    $b = $array[$size];
});

我们先按照这个逻辑推理一下, 异常数组的构造一定比普通数组耗时要久, 因为每次插入都要遍历链表嘛.

而且, 异常数组的首个元素访问时间要更久, 因为它现在出在链表的末尾, 要想访问它就要将链表遍历一遍. 看下结果:

image-20220307225236844

和之前的推论丝毫不差, 而且性能相差很多倍哦. 不过这里hash算法的具体实现我没有看

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