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PHP7 数组的底层实现

phpmianshi3年前 (2018-06-13)php867

PHP 数组具有的特性

PHP 的数组是一种非常强大灵活的数据类型,在讲它的底层实现之前,先看一下 PHP 的数组都具有哪些特性。

  • 可以使用数字或字符串作为数组健值

$arr = [1 => 'ok', 'one' => 'hello'];
  • 可按顺序读取数组

foreach($arr as $key => $value){    echo $arr[$key];
}
  • 可随机读取数组中的元素

$arr = [1 => 'ok', 'one' => 'hello', 'a' => 'world'];echo $arr['one'];echo current($arr);
  • 数组的长度是可变的

$arr = [1, 2, 3];

$arr[] = 4;

array_push($arr, 5);

正是基于这些特性,我们可以使用 PHP 中的数组轻易的实现集合、栈、列表、字典等多种数据结构。那么这些特性在底层是如何实现的呢? 这就得从数据结构说起了。

数据结构

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。

PHP 数组的底层实现是散列表(也叫 hashTable ),散列表是根据键(Key)直接访问内存存储位置的数据结构,它的key - value 之间存在一个映射函数,可以根据 key 通过映射函数得到的散列值直接索引到对应的 value 值,无需通过关键字比较,在理想情况下,不考虑散列冲突,散列表的查找效率是非常高的,时间复杂度是 O(1)。

从源码中我们可以看到 zend_array 的结构如下:

typedef struct _zend_array zend_array;typedef struct _zend_array hashTable;struct _zend_array {
    zend_refcounted_h gc;    union {        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                    zend_uchar    flags,
                    zend_uchar    nApplyCount,
                    zend_uchar    nIteratorsCount,
                    zend_uchar    reserve)
        } v;        uint32_t flags;
    } u;    uint32_t          nTableMask; // 哈希值计算掩码,等于nTableSize的负值(nTableMask = -nTableSize)
    Bucket           *arData;     // 存储元素数组,指向第一个Bucket
    uint32_t          nNumUsed;   // 已用Bucket数(含失效的 Bucket)
    uint32_t          nNumOfElements; // 哈希表有效元素数
    uint32_t          nTableSize;     // 哈希表总大小,为2的n次方(包括无效的元素)
    uint32_t          nInternalPointer; // 内部指针,用于遍历
    zend_long         nNextFreeElement; // 下一个可用的数值索引,如:arr[] = 1;arr["a"] = 2;arr[] = 3;  则nNextFreeElement = 2;
    dtor_func_t       pDestructor;
};

该结构中的 Bucket 即储存元素的数组,arData 指向数组的起始位置,使用映射函数对 key 值进行映射后可以得到偏移值,通过内存起始位置 + 偏移值即可在散列表中进行寻址操作。

Bucket 的数据结构如下:

typedef struct _Bucket {
    zval              val; // 存储的具体 value,这里是一个 zval,而不是一个指针
    zend_ulong        h;   // 数字 key 或字符串 key 的哈希值。用于查找时 key 的比较    
    zend_string      *key; // 当 key 值为字符串时,指向该字符串对应的 zend_string(使用数字索引时该值为 NULL),用于查找时 key 的比较} Bucket;

到这里有个问题出现了:存储在散列表里的元素是无序的,PHP 数组如何做到按顺序读取的呢?

答案是中间映射表,为了实现散列表的有序性,PHP 为其增加了一张中间映射表,该表是一个大小与 Bucket 相同的数组,数组中储存整形数据,用于保存元素实际储存的 Value 在 Bucekt 中的下标。Bucekt 中的数据是有序的,而中间映射表中的数据是无序的。

image.png

而通过映射函数映射后的散列值要在中间映射表的区间内,这就对映射函数提出了要求。

映射函数

PHP7 数组采用的映射方式:

nIndex = h | ht->nTableMask;

将 key 经过 time33 算法生成的哈希值 h 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 nTableMask 二进制位右侧全部为 0,保证了 h | ht->nTableMask 的取值范围会在 [-nTableSize, -1] 之间,正好在映射表的下标范围内。另外,用按位或运算的方法和其他方法如取余的方法相比运算速度较高,这个映射函数可以说设计的非常巧妙了。

散列(哈希)冲突

不同键名的通过映射函数计算得到的散列值有可能相同,此时便发生了散列冲突。

对于散列冲突有以下 4 种常用方法:

1.将散列值放到相邻的最近地址里

2.换个散列函数重新计算散列值

3.将冲突的散列值统一放到另一个地方

4.在冲突位置构造一个单向链表,将散列值相同的元素放到相同槽位对应的链表中。这个方法叫链地址法,PHP 数组就是采用这个方法解决散列冲突的问题。

其具体实现是:将冲突的 Bucket 串成链表,这样中间映射表映射出的就不是某一个元素,而是一个 Bucket 链表,通过散列函数定位到对应的 Bucket 链表时,需要遍历链表,逐个对比 Key 值,继而找到目标元素。而每个 Bucket 之间的链接则是将原 value 的下标保存到新 value 的 zval.u2.next 里,新 value 放在当前位置上,从而形成一个单向链表。

举个例子:

当我们访问 $arr['key'] 的过程中,假设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 zval.u2.next 保存的值正是另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 zval.u2.next 的值遍历直到找到键名相同的元素。

扩容

PHP 的数组在底层实现了自动扩容机制,当插入一个元素且没有空闲空间时,就会触发自动扩容机制,扩容后再执行插入。

扩容的过程为:

如果已删除元素所占比例达到阈值,则会移除已被逻辑删除的 Bucket,然后将后面的 Bucket 向前补上空缺的 Bucket,因为 Bucket 的下标发生了变动,所以还需要更改每个元素在中间映射表中储存的实际下标值。

如果未达到阈值,PHP 则会申请一个大小是原数组两倍的新数组,并将旧数组中的数据复制到新数组中,因为数组长度发生了改变,所以 key-value 的映射关系需要重新计算,这个步骤为重建索引。

重建散列表

在删除某一个数组元素时,会先使用标志位对该元素进行逻辑删除,即在删除 value 时只是将 value 的 type 设置为 IS_UNDEF,而不会立即删除该元素所在的 Bucket,因为如果每次删除元素立刻删除 Bucket 的话,每次都需要进行排列操作,会造成不必要的性能开销。

所以,当删除元素达到一定数量或扩容后都需要重建散列表,即移除被标记为删除的 value。因为 value 在 Bucket 位置移动了或哈希数组 nTableSize 变化了导致 key 与 value 的映射关系改变,重建过程就是遍历 Bucket 数组中的 value,然后重新计算映射值更新到散列表。


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