manongba · 252浏览 · 发布于2020-03-18
PHP 中的数组实际上是一个有序映射。映射是一种把 values 关联到 keys 的类型。此类型在很多方面做了优化，因此可以把它当成真正的数组，或列表（向量），散列表（是映射的一种实现），字典，集合，栈，队列以及更多可能性。由于数组元素的值也可以是另一个数组，树形结构和多维数组也是允许的。 —— PHP 官方文档中文版
这里主要关注两个点：
key 可以是整数，也可以是字符串。Float、Bool、Null 类型的 key 会被转换为整数或者字符串存储，其他类型的会报错。
value 可以是任意类型。遍历数组时，数组元素按照其 key 添加的顺序依次取出。
PHP 7 的数组分为 packed array 和 hash array 两种类型，在满足一定条件时可以互转。
hash array 的 key 可以是整数也可以是字符串，在 hash 冲突时使用链表（冲突链）来解决冲突问题。
packed array 的所有 key 是自然数，且依次添加的元素的 key 逐渐增大（不要求连续）。它的耗时和内存占用都比 hash 数组低。
以下仅介绍 hash array 相关的内容。
主要数据类型
下图是数组主要的数据类型：
Hash 区 arData Data 区 + | 指 针 指 向 Data 区 的 开 始 v +----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+ | | | | | | | | ||nTableMask|nTableMask| ...... | -1 | 0 | 1 | ...... |nTableSize| | | +1 | | | | | | +1 |+---------------------------------------------------------------------------------------+| | | | | | | | | | uint32_t | uint32_t | ...... | uint32_t | Bucket | Bucket | ...... | Bucket || | | | | | | | | +----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
从整体看，这是一个数组。但入口是 arData 而不是处于最左侧的一个元素。arData 把数组分为两部分：
左边是 Hash 区，其值为 uint32_t 类型，是冲突链的第一个元素在 Data 区的下标；
右边是 Data 区，其值为 Bucket 类型，用于存储数据及其相关信息。
由于 arData 主要指向 Data 区，因此其默认类型被配置为 Bucket 指针。
在申请内存时，会把 Hash 区所需的内存大小加上 Data 区所需的内存大小，然后一起申请。
Bucket 长什么样？
zend_types.h：
/* 数组的基本元素 */typedef struct _Bucket {
zval val; /* 值 */
zend_ulong h; /* hash 值（或者整数索引） */
zend_string *key; /* 字符串 key（如果存储时用整数索引，则该值为 NULL） */} Bucket;Bucket 把 key 和 value 放在一起了。
在冲突链中，Bucket 是一个节点。那么此时心里会有一个疑问：怎么获取冲突链的下一个节点？
冲突链
说到链表，会很自然地想到链表元素的结构体里包含着指向下一个元素的指针 next 。例如单向链表：
typedef struct listNode {
struct listNode *next;
void *value;
} listNode;但 Bucket 却不包含这个指针。
会不会在 Bucket 上一层，也就是数组的结构体定义中有一个专门存放冲突链的地方？
zend_types.h：
typedef struct _zend_array HashTable;struct _zend_array {
zend_refcounted_h gc; union { struct {
ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
zend_uchar flags,
zend_uchar _unused,
zend_uchar nIteratorsCount,
zend_uchar _unused2)
} v; uint32_t flags;
} u; uint32_t nTableMask; // 用于把 hash 值转化为 [nTableMask, -1] 区间内的负数。根据 nTableSize 生成。
Bucket *arData; // 指向 Data 区的指针。
uint32_t nNumUsed; // Data 区最后一个有效 Bucket 的下标 + 1。
uint32_t nNumOfElements; // 存在多少个有效 Bucket。删除数组元素时，会使其减一。
uint32_t nTableSize; // 总共有多少空间。
uint32_t nInternalPointer;
zend_long nNextFreeElement; dtor_func_t pDestructor;
};想错了，换个角度想想.jpg
那往 Bucket 下一层看看：
zend_types.h：
typedef struct _zval_struct zval;struct _zval_struct {
zend_value value; // 通用值结构。存储基础类型（double）或指针（数组、对象等等）
union { struct {
// 省略其他定义
} v; uint32_t type_info; // 值的类型，例如 IS_ARRAY 、IS_UNDEF
} u1; union { uint32_t next; // 指向 hash 冲突链的下一个元素 <--- 就是这里
// 省略其他定义
} u2; // u2 表示第二个 union};惊！链表元素的 next 居然藏在 PHP 的通用数据类型 zval 里面。
想不到吧？.jpg
补充一点：
PHP HashMap 的冲突链始终是一个链表，不会像 JAVA 的 HashMap 那样在达成一定条件时转成红黑树。这会带来一定的问题。后面再详细说明。
怎么看 HashTable ？
再看一遍结构体。
zend_types.h：
typedef struct _zend_array HashTable;struct _zend_array {
zend_refcounted_h gc; union { struct {
ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
zend_uchar flags,
zend_uchar _unused,
zend_uchar nIteratorsCount,
zend_uchar _unused2)
} v; uint32_t flags;
} u; uint32_t nTableMask; // 根据 nTableSize 生成的负数。用于把 hash 值转化为 [nTableMask, -1] 区间内的负整数，防止越界。
Bucket *arData; // 指向 Data 区的指针。
uint32_t nNumUsed; // Data 区最后一个有效 Bucket 的下标 + 1。
uint32_t nNumOfElements; // 存在多少个有效 Bucket。删除数组元素时，会使其减一。
uint32_t nTableSize; // 总共有多少空间。
uint32_t nInternalPointer; // 内部指针。受到 reset() 、 end() 、 next() 等的影响。
zend_long nNextFreeElement; dtor_func_t pDestructor;
};有效 Bucket 指的是 Bucket val 的类型不为 IS_UNDEF 。也就是不为未定义的（undefined）值。无效 Bucket 反之。
nNumUsed 、nNumOfElements 、 nTableSize 的区别：
nNumUsed = 4nNumOfElements = 3nTableSize = 8+----------+----------+-----------+----------+-----------+-----------+-----------+| | | | | | | || 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | ...... | 7 || | | | | | | |+--------------------------------------------------------------------------------+| | | | | | | || Bucket | Bucket | Undefined | Bucket | Undefined | Undefined | Undefined || | | Bucket | | Bucket | Buckets | Bucket |+----------+----------+-----------+----------+-----------+-----------+-----------+
数组的主要操作
PHP 数组主要用到的基本操作有：查找、添加、更新、删除
PHP 内部操作有：rehash 、扩容
其中查找是较为简单的，添加、更新、删除都包含了查找的动作，因此先看查找。
查找
由于 key 有整数和字符串这两种类型，因此查找的实现也分为两种。这里以整数 key 为例。
读源码时要注意 HT_HASH_* 和 HT_DATA_* 开头的函数，分别代表着在 Hash 区和 Data 区的操作。
zend_hash.c
static zend_always_inline Bucket *zend_hash_index_find_bucket(const HashTable *ht, zend_ulong h){ uint32_t nIndex; uint32_t idx;
Bucket *p, *arData;
arData = ht->arData;
nIndex = h | ht->nTableMask; // 避免 Hash 区越界
idx = HT_HASH_EX(arData, nIndex); // 在 Hash 区取 nIndex 位置的值，结果是 Data 区某个 Bucket 的下标
while (idx != HT_INVALID_IDX) {
ZEND_ASSERT(idx < HT_IDX_TO_HASH(ht->nTableSize)); // 确保 Data 区没有越界
p = HT_HASH_TO_BUCKET_EX(arData, idx); // 用 Data 区下标获取 Bucket，即冲突链的第一个 Bucket
if (p->h == h && !p->key) { // 整数 key 存到 h，因此比对 h。p->key 为 NULL 表示 Bucket 的 key 为整数 key
return p;
}
idx = Z_NEXT(p->val); // 没有找到的话，从当前的 Bucket 获取冲突链的下一个 Bucket
} return NULL; // 链表遍历完也没找到，那就是不存在}举个例子：
nTableSize = 8 nTableMask = -(nTableSize + nTableSize) = (-16) = (11111111111111111111111111110000) 10 2 h = (100000000) = (00000101111101011110000100000000) 10 2 nIndex = (h | nTableMask) = (11111111111111111111111111110000) = (-16) 2 + 10 | +-------------------------------------------------------------------+ | | Hash arData Data | | + | | +----------------------------+ v v v | | +---------+---------+----------+---------+---------+---------+----------+---------+ | | | | | | | | | | | | -16 | -15 | ...... | -1 | 0 | 1 | ...... | 7 | | | | | | | | | | | | +---------------------------------------------------------------------------------+ | | | | | | | | | | | | 1 | 6 | ...... | 5 | Bucket0 | Bucket1 | ...... | Bucket7 | | | | | | | | | | | | +---------+---------+----------+---------+---------+---------+----------+---------+ | | + + ^ | | | next | | | +---------------------+ | | | +-------------------------------------------------------------------------------+
至于为什么 nTableMask = -(nTableSize + nTableSize) ，见下文的【负载因子】。
nTableMask 使得无论多大的 uint32_t ，在按位或以及转成有符号整数后，都会变成负整数，并且其值会在 [nTableMask, -1] 这个区间。
介绍完整数 key 的查找，顺便对比一下字符串 key 的查找，不同之处如下：
字符串 key 会存到 p->key 里面，而这个字符串的 hash 存到 p->h 里面。
在比较 key 的时候，整数 key 是比较两个整数是否相等，而字符串 key 会先比较 hash 是否相等，然后比较两个字符串是否相等。
添加
依然取整数 key 为例。这里不关注更新元素的部分和 packed array 的部分。
zend_hash.c:
static zend_always_inline zval *_zend_hash_index_add_or_update_i(HashTable *ht, zend_ulong h, zval *pData, uint32_t flag)
{ // ... 省略代码
idx = ht->nNumUsed++; // 使用空间 + 1
nIndex = h | ht->nTableMask; // 取 hash 值对应的 Hash 区的下标
p = ht->arData + idx; // 获取指向新元素的指针
Z_NEXT(p->val) = HT_HASH(ht, nIndex); // 新 Bucket 指向 Hash 区下标所指的冲突链第一个 Bucket
HT_HASH(ht, nIndex) = HT_IDX_TO_HASH(idx); // Hash 区下标指向新 Bucket
if ((zend_long)h >= (zend_long)ht->nNextFreeElement) {
ht->nNextFreeElement = h < ZEND_LONG_MAX ? h + 1 : ZEND_LONG_MAX;
}
add:
ht->nNumOfElements++; // 元素个数 + 1
p->h = h; // 整数 key 的下标就是 hash
p->key = NULL; // 整数 key 时，必须把 p->key 设置为 NULL
ZVAL_COPY_VALUE(&p->val, pData); // 把要添加的值复制到新 Bucket 里面
return &p->val;
}小二，上图！
nNumUsed = 1 nNumOfElements = 1 nTableSize = 8 nTableMask = (-16) = (11111111111111111111111111110000) 10 2 h = (100000000) = (00000101111101011110000100000000) 10 2 nIndex = (h + nTableMask) = (11111111111111111111111111110000) = (-16) 2 10 + | +-----------------------------------------------------------------------+ | | Hash arData Data | | + | | +-------------------------------------+ v v v | | +---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+ | | | | | | | | | | | | -16 | -15 | ...... | -1 | 0 | 1 | ...... | 7 | | | | | | | | | | | | +-------------------------------------------------------------------------------+ | | | | | | |Undefined|Undefined|Undefined| | | 0 | -1 | ...... | -1 | Bucket0 | Bucket1 | Buckets | Bucket7 | | | | | | | | | | | | +---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+ | | + | +-----------------------------------------------------------------------------+ ^ + 可 用 的 Bucket nNumUsed = 2 nNumOfElements = 2 Hash arData Data + | +---------------------------+ v v | | +---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+ | | | | | | | | | | | | -16 | -15 | ...... | -1 | 0 | 1 | ...... | 7 | | | | | | | | | | | | +-------------------------------------------------------------------------------+ | | | | | | | |Undefined|undefined| | | 1 | -1 | ...... | -1 | Bucket0 | Bucket1 | Buckets | Bucket7 | | | | | | | | | | | | +---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+ | | + ^ next + | | +----------+ | | | +-----------------------------------------------------------------------------+
文字表述为：
获取数组 arData 最后一个元素之后的合法位置（这个位置的内存在之前已经申请好了）。把这里的 Bucket 称为 BucketA。
把 BucketA 的下标放入 BucketA 的 h 中，把要添加的元素值放入 BucketA 的 val 。
把 Hash 区 (h | nTableMask) 位置指向的 Data 下标存储的 Bucket 称为 BucketB。
把 BucketA 的 val 的 next 指向 BucketB 。
更新Hash 区 (h | nTableMask) 位置的值为 BucketA 的下标。
Hash 区 -1 表示 HT_INVALID_IDX
更新
在上面的添加部分，可以看到函数的定义是：
static zend_always_inline zval *_zend_hash_index_add_or_update_i(HashTable *ht, zend_ulong h, zval *pData, uint32_t flag)
它把添加和更新放在一起处理了。
实际上在添加的时候，会先使用：
zend_hash_index_find_bucket(const HashTable *ht, zend_ulong h)
来看 h 这个 key 是否存在。如果存在就执行更新，如果不在就执行添加。
更新的操作就是把 pData 复制到找到的 Bucket 里面，替换掉原先的值。
删除
删除分为三种情况：
目标 key 不存在
目标 key 存在，其指向的 Bucket 处于冲突链的第一个位置
目标 key 存在，其指向的 Bucket 不处于冲突链的第一个位置
目标 key 不存在，直接返回就可以了。
目标 key 存在时，包括两个主要的操作：
处理冲突链指针
释放内存
处理冲突链的指针时，分为两种情况：
在第一个位置：直接让 Hash 区的值指向冲突链第二个位置的 Bucket 在 Data 区的下标；
不在第一个位置：同链表删除中间元素的操作。
释放内存时：
如果 key 是字符串，则尝试释放 key 的空间；
把 Bucket 的 val 复制到另一个变量 data，把 Bucket 的 val 的类型设置为 undefined；
尝试释放 data 所占的空间。
做删除动作的入口是：
zend_hash_del_bucket(HashTable *ht, Bucket *p)
做核心操作的是：
_zend_hash_del_el_ex(HashTable *ht, uint32_t idx, Bucket *p, Bucket *prev)
看一看源码：
zend_hash.c:
static zend_always_inline void _zend_hash_del_el_ex(HashTable *ht, uint32_t idx, Bucket *p, Bucket *prev)
{ if (!(HT_FLAGS(ht) & HASH_FLAG_PACKED)) { if (prev) { // 处于冲突链的中间
Z_NEXT(prev->val) = Z_NEXT(p->val);
} else { // 处于冲突链的第一个
HT_HASH(ht, p->h | ht->nTableMask) = Z_NEXT(p->val); // 让 Hash 区的值指向下一个 Bucket 的 Data 区下标
}
}
idx = HT_HASH_TO_IDX(idx);
ht->nNumOfElements--; // 数组元素计数器减一。此时 nNumUsed 保持不变。
// 如果数组内部指针指向要删除的这个 Bucket ，则让其指向数组下一个有效 Bucket 。
if (ht->nInternalPointer == idx || UNEXPECTED(HT_HAS_ITERATORS(ht))) { uint32_t new_idx;
new_idx = idx; while (1) {
new_idx++; if (new_idx >= ht->nNumUsed) { break;
} else if (Z_TYPE(ht->arData[new_idx].val) != IS_UNDEF) { break;
}
} if (ht->nInternalPointer == idx) {
ht->nInternalPointer = new_idx;
}
zend_hash_iterators_update(ht, idx, new_idx);
} // 如果要删除的元素是数组的最后一个元素，则尝试从后往前多回收几个无效 Bucket
if (ht->nNumUsed - 1 == idx) { do {
ht->nNumUsed--;
} while (ht->nNumUsed > 0 && (UNEXPECTED(Z_TYPE(ht->arData[ht->nNumUsed-1].val) == IS_UNDEF)));
ht->nInternalPointer = MIN(ht->nInternalPointer, ht->nNumUsed);
} // key 为字符串时，释放字符串内存
if (p->key) {
zend_string_release(p->key);
} if (ht->pDestructor) { // 如果配置了析构函数，则调用析构函数
zval tmp;
ZVAL_COPY_VALUE(&tmp, &p->val);
ZVAL_UNDEF(&p->val);
ht->pDestructor(&tmp);
} else {
ZVAL_UNDEF(&p->val); // 没有析构函数，则直接将 zval 的 u1.type_info 配置为 undefind。不用释放空间，因为以后元素可以重用这个空间
}
}PHP 数组可拥有的最大容量
zend_types.h
#if SIZEOF_SIZE_T == 4# define HT_MAX_SIZE 0x04000000 /* small enough to avoid overflow checks *//* 省略代码 */#elif SIZEOF_SIZE_T == 8# define HT_MAX_SIZE 0x80000000/* 省略代码 */#else# error "Unknown SIZEOF_SIZE_T"#endif
根据 sizeof(size_t) 的执行结果判断应该设置为 67108864 还是 2147483648 。
0x04000000 转为二进制是： 00000100000000000000000000000000
0x80000000 转为二进制是： 10000000000000000000000000000000
当 nNumUsed 大于等于 nTableSize 时，会触发 Resize 操作，以此获取更多可使用的 Bucket 。
Resize 策略
Resize 的定义是：
zend_hash.c：
static void ZEND_FASTCALL zend_hash_do_resize(HashTable *ht)
Resize 有两种策略：
rehash
双倍扩容 + rehash
之所以有不用双倍扩容的选择，是因为 PHP 在删除元素时，只是将对应 Data 区的 Bucket 的值设置为 undefined，并没有移动后面的元素。
选择的条件主要涉及 HashTable 的三个成员：
struct _zend_array {
// ...省略
uint32_t nNumUsed; // Data 区最后一个有效 Bucket 的下标 + 1。
uint32_t nNumOfElements; // 存在多少个有效 Bucket。删除数组元素时，会使其减一。
uint32_t nTableSize; // 总共有多少空间。
// ...省略}什么情况下只需要 rehash ？
源码是：
ht->nNumUsed > ht->nNumOfElements + (ht->nNumOfElements >> 5)
这里做一个转换，方便理解：
ht->nNumUsed - ht->nNumOfElements > (ht->nNumOfElements >> 5)
也就是被设置为 undefined 的 Bucket 数量大于当前元素个数除以 32 向下取整的值。
例如：
当 nNumUsed 为 2048 ， nNumOfElements 为 2000 的
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