php底层原理之数组实现

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数组是 PHPer 最常用的数据类型,同时 php 容易上手也得益于其强大的数组,但是数组在 php 中是如何实现的呢?
首先,我们还是先了解下相关的数据结构,为下面的内容打好基础
哈希表
哈希表,顾名思义,即将不同的关键字映射到不同单元的一种数据结构。而将不同关键字映射到不同单元的方法就叫做哈希函数
理想情况下,经过哈希函数处理,关键字和单元是会进行一一对应的;但是如果关键字值足够多的情况下,就容易出现多个关键字映射到同一单元的情况,即出现哈希冲突
哈希冲突的解决方案,要么使用链接法,要么使用开放寻址法
链接法即当不同的关键字映射到同一单元时,在同一单元内使用链表来保存这些关键字
开放寻址法即当插入数据时,如果发现关键字被映射到的单元存在数据了,说明发生了冲突,就继续寻找下一个单元,直到找到可用单元为止
而因为开放寻址法方案属于占用其他关键字映射单元的位置,所以后续的关键字更容易出现哈希冲突,因此容易出现性能下降
链表
既然上面提到了链表,这里我们简单聊一下链表的基础知识。链表分为很多种类型,常用的数据结构包括:队列,栈,双向链表等
链表,就是由不同的链表节点组成的一种数据结构。链表节点一般由元素 + 指向下一节点的指针组成。而双向链表,顾名思义,则是由指向上一节点的指针 + 元素 + 指向下一节点的指针组成
对于数据结构的内容,我们不过多展开,我们之后会有专门的内容去详细介绍数据结构
php 数组
php 解决哈希冲突的方式是使用了链接法,所以 php 数组是由哈希表 + 链表实现,准确来说,是由哈希表 + 双向链表实现
内部结构 - 哈希表
HashTable 结构体主要用来存放哈希表的基本信息
typedef struct _hashtable {
uint nTableSize; // hash Bucket 的大小,即哈希表的容量,最小为 8,以 2x 增长。
uint nTableMask; // nTableSize-1,索引取值的优化
uint nNumOfElements; // hash Bucket 中当前存在的元素个数,count() 函数会直接返回此值
ulong nNextFreeElement; // 下一个可使用的数字键值
Bucket *pInternalPointer; // 当前遍历的指针(foreach 比 for 快的原因之一)
Bucket *pListHead; // 存储整个哈希表的头元素指针
Bucket *pListTail; // 存储整个哈希表的尾元素指针
Bucket **arBuckets; // 存储 hash 数组
dtor_func_t pDestructor; // 在删除元素时执行的回调函数,用于资源的释放
zend_bool persistent; // 指出了 Bucket 内存分配的方式。如果 persisient 为 TRUE,则使用操作系统本身的内存分配函数为 Bucket 分配内存,否则使用 PHP 的内存分配函数。
unsigned char nApplyCount; // 标记当前 hash Bucket 被递归访问的次数(防止多次递归)
zend_bool bApplyProtection;// 标记当前 hash 桶允许不允许多次访问,不允许时,最多只能递归 3 次
#if ZEND_DEBUG
int inconsistent;
#endif
} HashTable;
Bucket 结构体则用于保存数据的具体内容
typedef struct bucket {
ulong h; // 对 char *key 进行 hash 后的值,或者是用户指定的数字索引值
uint nKeyLength; // hash 关键字的长度,如果数组索引为数字,此值为 0
void *pData; // 指向 value,一般是用户数据的副本,如果是指针数据,则指向 pDataPtr
void *pDataPtr; // 如果是指针数据,此值会指向真正的 value,同时上面 pData 会指向此值
struct bucket *pListNext; // 指向整个哈希表的该单元的下一个元素
struct bucket *pListLast; // 指向整个哈希表的该单元的上一个元素
struct bucket *pNext; // 指向由于哈希冲突导致存放在同一个单元的链表中的下一个元素
struct bucket *pLast; // 指向由于哈希冲突导致存放在同一个单元的链表中的上一个元素
// 保存当前值所对于的 key 字符串,这个字段只能定义在最后,实现变长结构体
char arKey[1];
} Bucket;
其中 Bucket 结构体内有指向用户数据的 pData 元素,其实是指向了之前我们介绍的变量 zval 结构体,这也是为什么当创建数组时,会出现数组元素 + 1 的变量容器。不了解变量底层相关知识的,请查看我之前的文章:
php 底层原理之变量(一)php 底层原理之变量(二)
哈希表内部结构关系图
注:图片来源于网络
从上图我们可以看出,Bucket 在存放数据的时候,如果存在哈希冲突,则将多个关键字映射到链表中,由此组成了双向链表
总结
今天,我们以数组作为切入点,简单了解了下基本的数据结构:哈希表和链表;并且了解了数组的底层实现,即哈希表 + 双向链表。其实哈希表作为 php 中最重要的数据结构,用处很广。变量的符号表,函数列表等都是用哈希表来存储的,感兴趣的同学可以看我之前的文章来了解相关知识

正文完
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