PHP哈希表（HashTable）的Packed Array优化：纯索引数组的内存压缩机制 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

PHP 哈希表（HashTable）的Packed Array优化：纯索引数组的内存压缩机制

各位同学，大家好！今天我们来深入探讨PHP哈希表（HashTable）中的一项重要优化技术：Packed Array。这项优化主要针对纯索引数组，旨在通过更紧凑的内存布局来降低内存占用，提高性能。

在深入Packed Array之前，我们先回顾一下PHP的哈希表结构，以及它在数组中的作用。

PHP 数组的底层实现：HashTable

PHP中的数组并非传统意义上的连续内存空间。它实际上是一个有序的哈希表。这意味着数组中的每个元素都存储在一个哈希表条目中，该条目包含键（key）、值（value）以及指向下一个条目的指针（用于处理哈希冲突）。

哈希表的结构大致如下：

Bucket: 哈希表中的一个槽位，用于存储一个键值对。
Key: 键，可以是整数或字符串。
Value: 值，可以是任何PHP数据类型。
Next: 指向下一个Bucket的指针，用于解决哈希冲突。
Table: 存储Bucket的数组。
Size: Table的大小，即Bucket的数量。
NumOfElements: 哈希表中元素的数量。

由于哈希表的特性，即使是简单的索引数组，其底层存储也涉及额外的开销，例如存储键（索引）、指针等。让我们看一个简单的例子：

<?php
$arr = [1, 2, 3, 4, 5];

//使用debug_zval_dump观察变量的内部结构，需要安装Xdebug扩展
debug_zval_dump($arr);
?>

通过 debug_zval_dump 我们可以观察到，即使这个数组的键是连续的数字索引，PHP仍然会将其存储为哈希表，每个元素都对应一个哈希表条目，包含键、值和额外的元数据。

Packed Array：针对纯索引数组的优化

Packed Array是一种针对纯索引数组（即键为连续整数，从0开始）的优化技术。它的核心思想是：移除存储键的开销，直接将值紧密地存储在连续的内存空间中。

这意味着对于 Packed Array，不再需要存储每个元素的键，只需要存储值本身。这极大地减少了内存占用，特别是对于大型数组。

Packed Array 的条件:

要将一个数组转换为 Packed Array，必须满足以下条件：

整数索引: 数组的键必须是整数。
连续索引: 索引必须是连续的，从0开始。
顺序插入: 元素必须按照索引顺序插入。

一旦数组不满足这些条件，Packed Array优化就会失效，数组会恢复到标准的HashTable结构。

Packed Array 的优势:

减少内存占用: 由于不需要存储键，内存占用显著降低。
提高性能: 访问元素时，可以直接通过索引计算内存地址，无需哈希查找，速度更快。

Packed Array 的实现:

PHP内部使用 zend_array 结构体来表示数组。 zend_array 结构体中有一个 flags 字段，用于标识数组的类型。当一个数组满足 Packed Array 的条件时，flags 字段会被设置为相应的标志，表明该数组是一个Packed Array。

typedef struct _zend_array zend_array;

struct _zend_array {
    zend_refcounted_h gc;
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    flags,
                zend_uchar    nApplyCount,
                zend_uchar    nIteratorsCount,
                zend_uchar    reserved)
        } v;
        uint32_t flags;
    } u;
    uint32_t          nTableMask;
    uint32_t          ar_data; /*使用 packed array 时候，ar_data 指向数据起始位置*/
    uint32_t          nNumUsed;
    uint32_t          nNumOfElements;
    uint32_t          nTableSize;
    uint32_t          nInternalPointer;
    zend_long         nNextFreeElement;
    bucket            *ar_buckets; /*使用哈希表的时候，指向 Bucket 数组*/
};

当使用 Packed Array 时，ar_data 指针直接指向数组数据的起始位置。 nNumOfElements 存储数组中元素的数量。

Packed Array 的例子与演示

让我们通过一些代码例子来演示 Packed Array 的效果。

例子 1：创建一个 Packed Array

<?php
$arr = [];
for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
    $arr[] = $i * 2;
}

debug_zval_dump($arr);
?>

在这个例子中，我们使用循环创建了一个包含10个元素的数组。由于我们是按照索引顺序插入元素，并且键是连续的整数，因此该数组会被优化为 Packed Array。通过 debug_zval_dump ，我们可以看到数组的 flags 字段包含 IS_ARRAY_PACKED 标志。

例子 2：破坏 Packed Array

<?php
$arr = [];
for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
    $arr[] = $i * 2;
}

unset($arr[5]); // 删除一个元素，破坏了连续性

debug_zval_dump($arr);
?>

在这个例子中，我们在创建数组后，使用 unset() 函数删除了一个元素。这破坏了索引的连续性，导致 Packed Array 优化失效。通过 debug_zval_dump，我们可以看到数组的 flags 字段不再包含 IS_ARRAY_PACKED 标志。

例子 3：非顺序插入破坏Packed Array

<?php
$arr = [];
$arr[1] = 2;
$arr[0] = 1;
$arr[2] = 3;

debug_zval_dump($arr);
?>

在这个例子中，虽然索引是整数，但是插入顺序不是按照索引顺序，这也会导致Packed Array优化失效。

例子 4: 强制转换为对象也会破坏Packed Array

<?php
$arr = [];
for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
    $arr[] = $i * 2;
}

$obj = (object) $arr; //强制转换为对象

debug_zval_dump($arr);
debug_zval_dump($obj);

?>

将数组强制转换为对象，也会导致Packed Array优化失效，数组会恢复为标准的HashTable结构。

如何确定一个数组是否是 Packed Array？

虽然 debug_zval_dump 可以查看数组的内部结构，但它需要安装 Xdebug 扩展。在实际应用中，我们可以通过一些间接的方式来判断一个数组是否是 Packed Array。例如，我们可以测量数组的内存占用，并与一个非 Packed Array 进行比较。或者编写扩展来实现检测。

Packed Array 的实际应用场景

Packed Array 在以下场景中特别有用：

处理大量数据: 例如，从数据库读取大量数据并存储在数组中。
图像处理: 图像的像素数据通常存储在数组中。
科学计算: 科学计算中经常需要处理大型数组。

在这些场景中，使用 Packed Array 可以显著减少内存占用，提高性能。

Packed Array 的限制

虽然 Packed Array 是一种有效的优化技术，但它也有一些限制：

只适用于纯索引数组: 如果数组包含字符串键或其他类型的键，Packed Array 优化将失效。
维护成本: 如果数组的结构发生变化（例如，删除一个元素），Packed Array 优化可能会失效，需要重新构建哈希表。

Packed Array 与性能测试

让我们通过一个简单的性能测试来比较 Packed Array 和非 Packed Array 的性能。

<?php

// 创建一个 Packed Array
$packedArray = [];
for ($i = 0; $i < 1000000; $i++) {
    $packedArray[] = $i;
}

// 创建一个非 Packed Array (通过删除一个元素来破坏 Packed Array)
$unpackedArray = $packedArray;
unset($unpackedArray[500000]);

// 测试 Packed Array 的读取性能
$startTime = microtime(true);
for ($i = 0; $i < 1000000; $i++) {
    $value = $packedArray[$i];
}
$endTime = microtime(true);
$packedArrayTime = $endTime - $startTime;

// 测试非 Packed Array 的读取性能
$startTime = microtime(true);
for ($i = 0; $i < 1000000; $i++) {
    if (isset($unpackedArray[$i])) {
        $value = $unpackedArray[$i];
    }
}
$endTime = microtime(true);
$unpackedArrayTime = $endTime - $startTime;

echo "Packed Array Time: " . $packedArrayTime . " secondsn";
echo "Unpacked Array Time: " . $unpackedArrayTime . " secondsn";

// 内存占用测试
$packedArrayMemory = memory_get_usage();
$unpackedArrayMemory = memory_get_usage();

echo "Packed Array Memory Usage: " . $packedArrayMemory . " bytesn";
echo "Unpacked Array Memory Usage: " . $unpackedArrayMemory . " bytesn";

?>

运行这段代码，我们可以看到 Packed Array 的读取性能通常优于非 Packed Array。同时，Packed Array 的内存占用也更低。需要注意的是，实际的性能提升取决于具体的应用场景和数据量。 memory_get_usage() 函数返回的是PHP进程的内存占用，包含了代码、数据等多个部分，因此在比较数组内存占用时可能不够精确。更好的办法是使用扩展或者结合操作系统工具来测量。

PHP 7.4及更高版本的优化

PHP 7.4及更高版本对 Packed Array 进行了进一步的优化。例如，PHP 7.4 引入了预加载（preloading）机制，可以将代码预先加载到内存中，从而提高性能。预加载可以与 Packed Array 结合使用，进一步减少内存占用，提高性能。

总结：

Packed Array 是PHP哈希表针对纯索引数组的内存压缩机制，通过移除存储键的开销，实现了内存占用和性能上的优化。

适用场景： 纯索引数组（键为连续整数，从0开始），顺序插入元素。
优点： 减少内存占用，提高访问速度。
缺点： 只适用于特定类型的数组，维护成本较高。

注意事项：

了解 Packed Array 的原理和限制，根据实际情况选择是否使用。
避免破坏 Packed Array 的结构，例如删除元素或非顺序插入元素。
可以使用 debug_zval_dump (需要安装 Xdebug 扩展) 来查看数组的内部结构，判断是否是 Packed Array。
PHP 7.4 及更高版本对 Packed Array 进行了进一步的优化。

展望：

随着PHP的不断发展，我们可以期待更多的哈希表优化技术出现，进一步提高PHP的性能和效率。理解Packed Array的原理，能够帮助我们编写更高效的PHP代码。

优化建议：

在处理大型纯索引数组时，尽量保持数组的连续性和顺序性，以利用 Packed Array 优化。
避免不必要的数组操作，例如删除元素或修改键，以减少维护成本。
结合其他优化技术，例如预加载，进一步提高性能。

深入理解内核：

想要更深入地理解 Packed Array 的实现原理，需要阅读PHP的内核代码。可以从 zend_array.h 和 zend_hash.c 文件入手，了解哈希表的结构和 Packed Array 的实现细节。

希望今天的讲座对大家有所帮助！谢谢大家！