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PHP7-数组底层解析

PHP7-数组底层解析

作者: PHP程序媛 | 来源:发表于2019-11-05 15:16 被阅读0次

    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手册

    数组是PHP中非常强大、灵活的一种数据类型,它的底层实现为HashTable(哈希表),除了我们熟悉的PHP用户空间的Array类型之外,内核中也随处用到哈希表,比如函数、类、常量、include文件的索引表、全局符号表等都用的HashTable存储。
    1、 数组结构

    PHP中HashTable的数据结构如下:

    //Bucket:散列表中存储的元素
    typedef struct _Bucket {
     zval val; //存储的具体value,这里嵌入了一个zval,而不是一个指针
     zend_ulong h; //key根据times 33计算得到的哈希值,或者是数值索引编号
     zend_string *key; //存储元素的key
    } Bucket;
    //HashTable结构
    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
     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
     uint32_t nInternalPointer;
     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;
    };
    

    注意:nNumUsed:已用bucket数 nNumOfElements:哈希表有效元素数

    两者有不同的含义,当将一个元素从哈希表删除时并不会将对应的Bucket移除,而是将Bucket存储的zval修改为IS_UNDEF,只有扩容时发现nNumOfElements与nNumUsed相差达到一定数量时才会将已删除的元素全部移除,重新构建哈希表,所以 nNumUsed >= nNumOfElements。

    HashTable中另外一个非常重要的值arData,这个值指向存储元素数组的第一个Bucket,插入元素时按顺序依次插入数组,比如第一个元素在arData[0]、第二个在arData[1] ... arData[nNumUsed]。PHP数组的有序性正是通过arData保证的。

    所以,HashTable主要依赖arData实现元素的存储、索引。插入一个元素时先将元素按先后顺序插入Bucket数组,位置是idx,再根据key的哈希值映射到散列表中的某个位置nIndex,将idx存入这个位置;查找时先在哈希表中映射到nIndex,得到value在Bucket数组的位置idx,再从Bucket数组中取出元素。

    2、 哈希碰撞

    哈希碰撞是指不同的key可能计算得到相同的哈希值(数值索引的哈希值直接就是数值本身),但是这些值又需要插入同一个哈希表。

    出现哈希碰撞之后,又如何解决呢?一般有如下几种方法:

    链表法:为每个 Hash 值建立一个单链表,当发生冲突时,将记录插入到链表中。
    开放寻址法:有一个公式:Hi=(H(key)+di) MOD m i=1,2,…,k(k<=m-1),基本思想:当发生地址冲突时,按照某种方法继续探测哈希表中的其他存储单元,直到找到空位置为止。
    再哈希法:当发生冲突时,使用第二个、第三个哈希函数计算地址,直到无冲突时。

    3、 扩容

    哈希表可存储的value数是固定的,当空间不够用时就要进行扩容了。

    PHP哈希表的大小为2^n,插入时如果容量不够则首先检查已删除元素所占比例,如果达到阈值时,则将已删除元素移除,重建索引;如果未到阈值则进行扩容操作,扩大为当前大小的2倍,将当前Bucket数组复制到新的空间,然后重建索引。

    4、重建散列表

    当删除元素达到一定数量或扩容后就需要重建哈希表,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。

    重建过程实际就是遍历Bucket数组中的value,然后重新计算映射值更新到哈希表。

    此外,还有一个重要的处理:移除已删除的value,开始的时候我们说过,删除value时只是将value的type设置为IS_UNDEF,并没有实际从Bucket数组中删除,如果这些value一直存在那么将浪费很多空间,所以这里会把它们移除,操作的方式也比较简单:将后面未删除的value依次前移。

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