PHP数组的底层实现：HashTable结构、哈希冲突解决与内存扩容机制解析
大家好，今天我们要深入探讨PHP数组的底层实现，这对于理解PHP的性能和行为至关重要。PHP的数组实际上是一个有序的哈希表（HashTable）。我们将详细剖析HashTable的结构、哈希冲突的解决方式以及内存扩容机制。
1. HashTable结构：核心组成部分
PHP数组的核心是HashTable结构。它不是简单的线性数组，而是一个复杂的结构体，包含了多个关键成员。我们可以用C语言风格的代码来模拟HashTable的结构：
typedef struct _Bucket {
zval val; /* 存储的值 */
zend_ulong h; /* 经过哈希函数处理后的键值 */
zend_string *key; /* 字符串类型的键，如果是数字索引，则为NULL */
} Bucket;
typedef struct _HashTable {
zend_array arData; /* 存储Bucket的数组 */
uint32_t nTableSize; /* HashTable的大小，始终是2的幂 */
uint32_t nTableMask; /* 用于快速取模运算的掩码，nTableSize - 1 */
uint32_t nNumOfElements; /* HashTable中元素的数量 */
zend_long nNextFreeElement;/* 下一个可用的数字索引 */
Bucket *arBuckets; /* 指向Bucket数组的指针 */
Bucket *arEnd; /* 指向Bucket数组末尾的指针 */
// ... 其他成员，如析构函数等
} HashTable;
typedef struct _zend_array {
zend_refcounted_h gc;
union {
struct {
zend_uchar flags;
zend_uchar nApplyCount;
zend_uchar reserve;
} v;
uint32_t flags;
} u;
uint32_t nTableMask;
Bucket *arData;
uint32_t nNumUsed;
uint32_t nNumOfElements;
uint32_t nTableSize;
uint32_t nInternalPointer;
zend_long nNextFreeElement;
dtor_func_t pDestructor;
} zend_array;
typedef struct _zval_struct {
zend_value value; /* 变量的值 */
zend_uchar type; /* 变量的类型 */
zend_uchar u1;
} zval;
typedef union _zend_value {
zend_long lval; /* long value */
double dval; /* double value */
zend_string *str;
zend_array *arr;
zend_object *obj;
zend_resource *res;
zend_reference *ref;
zend_ast *ast;
zval *zv;
void *ptr;
zend_class_entry *ce;
zend_function *func;
struct {
uint32_t w1;
uint32_t w2;
} ww;
} zend_value;下面我们详细解释一下这些成员：
-
Bucket: 这是HashTable中存储元素的最小单元。val:zval结构体，用于存储实际的PHP值，它可以是整数、浮点数、字符串、数组、对象等任何PHP类型。h: 键的哈希值，由哈希函数计算得出。key: 字符串类型的键。如果是数字索引数组，则此值为NULL。
-
HashTable: 负责管理整个哈希表。arData:zend_array类型，指向实际存储Bucket的数组。nTableSize: HashTable的大小，必须是2的幂。这对于哈希冲突的解决和快速取模运算至关重要。nTableMask: 掩码，等于nTableSize - 1。用于快速计算索引位置，避免使用耗时的除法运算。nNumOfElements: HashTable中实际存储的元素数量。nNextFreeElement: 下一个可用的数字索引。当向数组中添加没有指定键名的元素时，PHP会自动分配一个数字索引。arBuckets: 指向Bucket数组的指针。arEnd: 指向Bucket数组末尾的指针，用于快速追加元素。
-
zend_array: 实际存储 Bucket 的数组.arData: 指向 Bucket 数组的指针.nTableMask: 用于快速计算索引的掩码.nNumUsed: 已使用的 Bucket 数量.nNumOfElements: 数组中元素的数量.nTableSize: HashTable 的大小.nInternalPointer: 内部指针，用于foreach等迭代操作.nNextFreeElement: 下一个可用的数字索引.
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zval: PHP中表示变量的核心结构体。value:zend_value联合体，用于存储变量的实际值。type: 变量的类型，例如IS_LONG、IS_STRING、IS_ARRAY等。
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zend_value: 一个联合体，根据变量类型选择性地存储值。例如，如果变量是整数，则使用lval存储；如果变量是字符串，则使用str指针指向zend_string结构体。
2. 哈希函数与哈希冲突解决
当向HashTable中添加元素时，首先需要计算键的哈希值，然后根据哈希值确定元素在数组中的存储位置。PHP使用 DJBX33A 算法作为默认的哈希函数。这是一个高效且广泛使用的哈希算法，旨在减少冲突。
zend_ulong zend_string_hash_djbx33a(const char *str, size_t len) {
zend_ulong hash = 5381;
for (; len; len--, str++) {
hash = ((hash << 5) + hash) + (unsigned char) *str; /* hash * 33 + c */
}
return hash;
}这个函数接收字符串和长度作为输入，并返回一个无符号长整型作为哈希值。
即使使用了优秀的哈希函数，也无法完全避免哈希冲突。当两个不同的键产生相同的哈希值时，就会发生冲突。PHP使用链地址法来解决哈希冲突。
链地址法的基本思想是：将所有哈希到同一位置的元素，用链表连接起来。在PHP的HashTable中，这个链表是通过Bucket结构体隐式实现的。Bucket数组并不是直接存储数据，而是存储指向数据的指针。当发生冲突时，新的Bucket会插入到冲突位置，并调整arData中的指针指向新的链表头。
具体来说，当计算出哈希值 h 后，使用 h & nTableMask 计算出数组索引 idx。如果 arData[idx] 已经有元素，则将新元素插入到该位置的链表头部。查找元素时，首先计算出索引 idx，然后遍历 arData[idx] 指向的链表，查找键与目标键匹配的元素。
代码示例：模拟哈希冲突的解决
为了更清晰地展示哈希冲突的解决过程，我们用伪代码模拟HashTable的插入和查找操作：
// 假设HashTable已经初始化
// 插入元素
void HashTable_Insert(HashTable *ht, zend_string *key, zval *value) {
zend_ulong h = zend_string_hash_djbx33a(key->val, key->len); // 计算哈希值
uint32_t idx = h & ht->nTableMask; // 计算索引
// 创建一个新的Bucket
Bucket *new_bucket = malloc(sizeof(Bucket));
new_bucket->key = key;
new_bucket->h = h;
new_bucket->val = *value;
// 将新的Bucket插入到链表头部
Bucket *old_bucket = ht->arData[idx];
ht->arData[idx] = new_bucket;
//模拟 PHP7之后的解决链表冲突方式
if (old_bucket) {
//查找链表的尾部，将新的Bucket插入到尾部
Bucket *tail = old_bucket;
while(tail->next){
tail = tail->next;
}
tail->next = new_bucket;
new_bucket->next = NULL;
}
ht->nNumOfElements++;
// 检查是否需要扩容
if (ht->nNumOfElements > ht->nTableSize * 0.75) { // 假设负载因子为0.75
HashTable_Resize(ht);
}
}
// 查找元素
zval* HashTable_Find(HashTable *ht, zend_string *key) {
zend_ulong h = zend_string_hash_djbx33a(key->val, key->len); // 计算哈希值
uint32_t idx = h & ht->nTableMask; // 计算索引
// 遍历链表，查找匹配的键
Bucket *bucket = ht->arData[idx];
while (bucket) {
if (bucket->h == h && zend_string_equals(bucket->key, key)) {
return &bucket->val; // 找到元素，返回值的指针
}
bucket = bucket->next;
}
return NULL; // 未找到元素
}3. 内存扩容机制
随着HashTable中元素数量的增加，哈希冲突的概率也会随之增大，导致查找效率降低。为了保证HashTable的性能，当元素数量达到一定阈值时，PHP会自动进行内存扩容。
PHP的HashTable采用动态扩容机制。当元素数量超过HashTable容量的一定比例（称为负载因子，通常为0.75）时，HashTable的大小会翻倍。扩容过程包括以下步骤：
- 分配新的内存空间: 分配一块大小为原HashTable两倍的新内存空间，用于存储新的Bucket数组。
- 重新计算哈希值: 遍历原HashTable中的所有元素，重新计算每个元素的哈希值，并根据新的HashTable大小计算新的索引位置。
- 将元素复制到新的位置: 将元素复制到新的Bucket数组中。由于HashTable的大小发生了变化，因此需要重新处理哈希冲突。
- 释放旧的内存空间: 释放原HashTable占用的内存空间。
代码示例：模拟HashTable的扩容
void HashTable_Resize(HashTable *ht) {
uint32_t old_size = ht->nTableSize;
Bucket *old_buckets = ht->arData;
// 计算新的HashTable大小
uint32_t new_size = old_size * 2;
uint32_t new_mask = new_size - 1;
// 分配新的内存空间
Bucket *new_buckets = calloc(new_size, sizeof(Bucket));
if (!new_buckets) {
// 内存分配失败，处理错误
fprintf(stderr, "Memory allocation failed!n");
return;
}
// 更新HashTable的属性
ht->nTableSize = new_size;
ht->nTableMask = new_mask;
ht->arData = new_buckets;
ht->nNumUsed = 0;
// 重新哈希并复制元素
for (int i = 0; i < old_size; i++) {
Bucket *bucket = old_buckets[i];
if (bucket) {
// 计算新的索引
uint32_t new_idx = bucket->h & new_mask;
// 将元素插入新的Bucket
Bucket *old_bucket = new_buckets[new_idx];
new_buckets[new_idx] = bucket;
//模拟 PHP7之后的解决链表冲突方式
if (old_bucket) {
//查找链表的尾部，将新的Bucket插入到尾部
Bucket *tail = old_bucket;
while(tail->next){
tail = tail->next;
}
tail->next = bucket;
bucket->next = NULL;
}
ht->nNumUsed++;
}
}
}
// 释放旧的内存空间
free(old_buckets);
}4. 数字索引与字符串索引
PHP数组既支持数字索引，也支持字符串索引。这两种索引在HashTable中的处理方式略有不同。
-
数字索引: 数字索引会被转换为
zend_long类型，直接作为键的哈希值。由于数字本身就是哈希值，因此不需要额外的哈希函数计算。nNextFreeElement成员变量用于维护下一个可用的数字索引。 当使用[]操作符添加元素，并且没有指定键时，PHP会自动将元素添加到nNextFreeElement指向的位置，并将nNextFreeElement的值加1。 -
字符串索引: 字符串索引需要经过哈希函数计算，得到哈希值，然后才能确定元素在HashTable中的存储位置。
表格：数字索引与字符串索引的比较
| 特性 | 数字索引 | 字符串索引 |
|---|---|---|
| 键类型 | zend_long |
zend_string |
| 哈希计算 | 无需计算，直接使用数字作为哈希值 | 需要使用哈希函数计算哈希值 |
| 存储位置 | 由nNextFreeElement自动分配 |
由哈希值决定 |
| 应用场景 | 顺序存储的列表，自动分配索引的场景 | 关联数组，需要使用有意义的键来访问数据的场景 |
5. 顺序性与迭代
PHP数组的一个重要特性是有序性。尽管HashTable的底层实现是基于哈希表的，但PHP仍然保证了数组中元素的插入顺序。这是通过在Bucket数组中维护元素的插入顺序来实现的。
在HashTable中，arData数组存储的是指向Bucket的指针，而Bucket本身包含了键和值。当遍历数组时，PHP会按照arData数组中指针的顺序访问Bucket，从而保证了元素的插入顺序。nInternalPointer 成员变量用于记录当前迭代的位置，方便 foreach 等迭代操作。
代码示例：数组的迭代
<?php
$arr = [];
$arr['a'] = 1;
$arr['b'] = 2;
$arr['c'] = 3;
foreach ($arr as $key => $value) {
echo "Key: $key, Value: $valuen";
}
?>在这个例子中，foreach 循环会按照 a、b、c 的顺序遍历数组，即使它们的哈希值可能不连续。
6. HashTable的优势和劣势
HashTable作为PHP数组的底层实现，具有以下优势：
- 快速查找: 平均情况下，查找、插入和删除操作的时间复杂度为 O(1)。
- 动态扩容: 可以根据元素数量动态调整HashTable的大小，避免内存浪费。
- 支持多种数据类型: 可以存储任何PHP类型的值。
- 有序性: 保证元素的插入顺序。
然而，HashTable也存在一些劣势：
- 空间占用: 由于HashTable需要维护额外的元数据（如
nTableSize、nTableMask等），因此会占用一定的内存空间。 - 哈希冲突: 哈希冲突会导致查找效率降低。
- 扩容开销: 扩容操作需要重新计算哈希值和复制元素，会带来一定的性能开销。
7. HashTable内存管理
HashTable的内存管理是PHP性能优化的一个重要方面。 PHP 使用引用计数来管理 HashTable 的内存。当一个 HashTable 不再被引用时，它的内存会被自动释放。 HashTable 的内存管理还包括以下几个方面：
- 预分配: PHP 在创建 HashTable 时会预先分配一定数量的 Bucket，以避免频繁的内存分配和释放。
- 写时复制: 当复制一个 HashTable 时，PHP 不会立即复制所有的数据，而是采用写时复制的策略。只有在修改 HashTable 时，才会真正复制数据。
- 内存池: PHP 使用内存池来管理 HashTable 的内存，以提高内存分配和释放的效率。
总结来说：HashTable是PHP数组的核心，它利用哈希函数和链地址法解决冲突，并采用动态扩容机制来保证性能。 数字索引和字符串索引的处理方式略有不同，但都依赖于HashTable的底层结构。
希望通过今天的讲解，大家能够对PHP数组的底层实现有一个更深入的了解。
理解HashTable结构对高效编程至关重要
PHP数组的底层实现是HashTable，它是一个有序的哈希表，包含了多个关键成员，如Bucket、arData、nTableSize等。理解HashTable的结构有助于我们更好地理解PHP数组的性能和行为。
哈希冲突的解决和扩容保证性能
PHP使用链地址法来解决哈希冲突，当元素数量达到一定阈值时，会自动进行内存扩容。哈希冲突和内存扩容都会影响HashTable的性能，因此需要选择合适的哈希函数和负载因子。
理解索引类型和迭代实现是基础
PHP数组既支持数字索引，也支持字符串索引。数字索引会被转换为zend_long类型，直接作为键的哈希值，而字符串索引需要经过哈希函数计算。PHP数组的有序性是通过在Bucket数组中维护元素的插入顺序来实现的。