PHP数组内部实现原理，你能详细解释一下吗？

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目录+前言+探索+zval+zend_array+结构介绍+结构体+数组插入操作+hash函数+总结+前言+这几日在翻github的时候，碰巧看到了PHP的源码，于是down了下来，随便翻了翻，发现PHP中玩得最引注的人

目录

• 前言
• 探究
• zval
• zend_array
• 结构介绍
• 结构体
• 数组插入操作
• hash函数
• 总结

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

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.harray.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krsortcount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:

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:

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a的hash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, 目前有开放寻址和链表两种处理方式, 不过大部分实现都采用链表的方式. 这里也不例外.

数组中,bcd的hash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dataListindexList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:

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,indexList与dataList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.

11110000与00000000进行或运算, 结果为11110000, 其值等于-16.

11110000与01111111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新, 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:

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

总结

本篇文章就到这里了，希望能够给你带来帮助，也希望您能够多多关注自由互联的更多内容!