關於PHP原始碼中Zend HashTable的解析

這篇文章主要介紹了關於PHP原始碼中Zend HashTable的解析，有著一定的參考價值，現在分享給大家，有需要的朋友可以參考一下

很久以前就看到這篇文章，最近興趣轉移到PHP源碼，在網上找一圈，在think in code 上找到了這篇地址：http://www.blankyao.cn/index.php/php-zend-hashtable.html
【正文】

在PHP的Zend引擎中，有一個資料結構非常重要，它無所不在，是PHP資料儲存的核心，各種常數、變數、函數、類別、物件等都用它來組織，這個資料結構就是HashTable。

HashTable在通常的資料結構教材中也稱為散列表，哈希表。其基本原理比較簡單(如果你對其不熟悉，請查閱隨便一本數據結構教材或在網上搜 索)，但PHP的實現有其獨特的地方。了解HashTable的資料儲存結構，對我們分析PHP的原始程式碼，特別是Zend Engine中的虛擬機器的實作時，有很重要的幫助。它可以幫助我們在大腦中模擬一個完整的虛擬機器的圖像。它也是PHP中其它一些資料結構如數組實現的基底 基礎。

Zend HashTable的實作結合了雙向鍊錶和向量（陣列）兩種資料結構的優點，為PHP提供了非常高效的資料儲存和查詢機制。

Let's begin!

一、 HashTable的資料結構

在Zend Engine中的HashTable的實作程式碼主要包括zend_hash.h, zend_hash.c這兩個檔案中。 Zend HashTable包含兩個主要的資料結構，其一是Bucket（桶）結構，另一個是HashTable結構。 Bucket結構是用來保存資料的容器，而 HashTable結構則提供了對所有這些Bucket(或桶列)進行管理的機制。

typedef struct bucket {
ulong h;       /* Used for numeric indexing */
uint nKeyLength;     /* key 长度 */
void *pData;      /* 指向Bucket中保存的数据的指针 */
void *pDataPtr;     /* 指针数据 */
struct bucket *pListNext;   /* 指向HashTable桶列中下一个元素 */
struct bucket *pListLast;    /* 指向HashTable桶列中前一个元素 */
struct bucket *pNext;    /* 指向具有同一个hash值的桶列的后一个元素 */
struct bucket *pLast;    /* 指向具有同一个hash值的桶列的前一个元素 */
char arKey[1];      /* 必须是最后一个成员，key名称*/
} 
Bucket;

在Zend HashTable中，每個資料元素(Bucket)都有一個鍵名(key)，它在整個HashTable中是唯一的，不能重複。根據鍵名可以唯一確定 HashTable中的資料元素。鍵名有兩種表示方式。第一種方式使用字串arKey作為鍵名，該字串的長度為nKeyLength。注意到在上面的 資料結構中arKey雖然只是一個長度為1的字元數組，但它並不意味著key只能是一個字元。實際上Bucket是一個可變長的結構體，由於arKey是 Bucket的最後一個成員變量，透過arKey與nKeyLength結合可確定長度為nKeyLength的key。這是C語言程式設計中的一個比較 常用的技巧。另一種鍵名的表示方式是索引方式，這時nKeyLength總是0，長整數欄位h就表示該資料元素的鍵名。簡單的來說，即如果 nKeyLength=0，則鍵名為h；否則鍵名為arKey, 鍵名的長度為nKeyLength。

當nKeyLength > 0時，並不表示這時的h值就沒有意義。事實上，此時它保存的是arKey對應的hash值。不管hash函數怎麼設計，衝突都是不可避免的，也就是說不同 的arKey可能有相同的hash值。具有相同hash值的Bucket保存在HashTable的arBuckets數組(參考下面的解釋)的同一個索 引對應的桶列中。這個桶列是一個雙向鍊錶，其前向元素，後向元素分別用pLast, pNext來表示。新插入的Bucket放在該桶列的最前面。

在Bucket中，實際的資料是保存在pData指標所指向的記憶體區塊中，通常這個記憶體區塊是系統另外分配的。但有一種情況例外，就是當Bucket保存的資料是一個指針時，HashTable將不會另外請求系統分配空間來保存這個指針，而是直接將該指針保存到pDataPtr中，然後再將pData指向本結構成員的地址。這樣可以提高效率，減少記憶體碎片。由此我們可以看到PHP HashTable設計的精妙之處。如果Bucket中的資料不是一個指針，pDataPtr為NULL。

HashTable中所有的Bucket透過pListNext, pListLast構成了一個雙向鍊錶。最新插入的Bucket放在這個雙向鍊錶的最後。

注意在一般情況下，Bucket並不能提供它所儲存的資料大小的資訊。所以在PHP的實作中，Bucket中保存的資料必須具有管理自身大小的能力。

typedef struct _hashtable {
uint nTableSize;
uint nTableMask;
uint nNumOfElements;
ulong nNextFreeElement;
Bucket *pInternalPointer;
Bucket *pListHead;Bucket *pListTail;
Bucket **arBuckets;
dtor_func_t pDestructor;zend_bool persistent;
unsigned char nApplyCount;zend_bool bApplyProtection; 
#if ZEND_DEBUGint inconsistent;
#endif
} HashTable;

在HashTable結構中，nTableSize指定了HashTable的大小，同時它限定了HashTable中能保存Bucket的最大數量，此 數越大，系統為HashTable分配的記憶體就越多。為了提高計算效率，系統會自動將nTableSize調整到最小一個不小於nTableSize的2 的整數次方。也就是說，如果在初始化HashTable時指定一個nTableSize不是2的整數次方，系統將會自動調整nTableSize的值。即

nTableSize = 2ceil(log(nTableSize, 2)) 或nTableSize = pow(ceil(log(nTableSize,2)))

#例如，如果在初始化HashTable的時候指定nTableSize = 11，HashTable初始化程式會自動將nTableSize增大到16。

arBuckets是HashTable的关键，HashTable初始化程序会自动申请一块内存，并将其地址赋值给arBuckets，该内存大 小正好能容纳nTableSize个指针。我们可以将arBuckets看作一个大小为nTableSize的数组，每个数组元素都是一个指针，用于指向 实际存放数据的Bucket。当然刚开始时每个指针均为NULL。

nTableMask的值永远是nTableSize – 1，引入这个字段的主要目的是为了提高计算效率，是为了快速计算Bucket键名在arBuckets数组中的索引。

nNumberOfElements记录了HashTable当前保存的数据元素的个数。当nNumberOfElement大于nTableSize时，HashTable将自动扩展为原来的两倍大小。

nNextFreeElement记录HashTable中下一个可用于插入数据元素的arBuckets的索引。

pListHead, pListTail则分别表示Bucket双向链表的第一个和最后一个元素，这些数据元素通常是根据插入的顺序排列的。也可以通过各种排序函数对其进行重 新排列。pInternalPointer则用于在遍历HashTable时记录当前遍历的位置，它是一个指针，指向当前遍历到的Bucket，初始值是 pListHead。

pDestructor是一个函数指针，在HashTable的增加、修改、删除Bucket时自动调用，用于处理相关数据的清理工作。

persistent标志位指出了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。具体请参考PHP的内存管理。

nApplyCount与bApplyProtection结合提供了一个防止在遍历HashTable时进入递归循环时的一种机制。

inconsistent成员用于调试目的，只在PHP编译成调试版本时有效。表示HashTable的状态，状态有四种：

状态值 含义
HT_IS_DESTROYING 正在删除所有的内容，包括arBuckets本身
HT_IS_DESTROYED 已删除，包括arBuckets本身
HT_CLEANING 正在清除所有的arBuckets指向的内容，但不包括arBuckets本身
HT_OK 正常状态，各种数据完全一致

typedef struct _zend_hash_key {
char *arKey;      /* hash元素key名称 */
uint nKeyLength;     /* hash 元素key长度 */
ulong h;       /* key计算出的hash值或直接指定的数值下标 */
} 
zend_hash_key;

现在来看zend_hash_key结构就比较容易理解了。它通过arKey, nKeyLength, h三个字段唯一确定了HashTable中的一个元素。

根据上面对HashTable相关数据结构的解释，我们可以画出HashTable的内存结构图：

關於PHP原始碼中Zend HashTable的解析

二、 Zend HashTable的实现

本节具体介绍一下PHP中HashTable的实现。以下函数均取自于zend_hash.c。只要充分理解了上述数据结构，HashTable实现的代码并不难理解。

1 HashTable初始化

HashTable提供了一个zend_hash_init宏来完成HashTable的初始化操作。实际上它是通过下面的内部函数来实现的：

ZEND_API int _zend_hash_init(HashTable *ht, uint nSize, hash_func_t pHashFunction, dtor_func_t pDestructor, zend_bool persistent ZEND_FILE_LINE_DC){uint i = 3;Bucket **tmp; 
SET_INCONSISTENT(HT_OK); 
if (nSize >= 0×80000000) {
/* prevent overflow */
ht->
nTableSize = 0×80000000;
} else {
while ((1U << i) < nSize) { /* 自动调整nTableSize至2的n次方 */ i++; } ht->nTableSize = 1 << i;/* i的最小值为3，因此HashTable大小最小为8 */ } 
ht->
nTableMask = ht->
nTableSize - 1;
ht->pDestructor = pDestructor;
ht->arBuckets = NULL;
ht->pListHead = NULL;
ht->pListTail = NULL;
ht->nNumOfElements = 0;
ht->nNextFreeElement = 0;ht->pInternalPointer = NULL;
ht->persistent = persistent;
ht->nApplyCount = 0;
ht->bApplyProtection = 1; 
/* 根据persistent使用不同方式分配arBuckets内存，并将其所有指针初始化为NULL*/
/* Uses ecalloc() so that Bucket* == NULL */
if (persistent) {
tmp = (Bucket **) calloc(ht->nTableSize, sizeof(Bucket *));
if (!tmp) {
return FAILURE;
}
ht->arBuckets = tmp;
} else {tmp = (Bucket **) ecalloc_rel(ht->nTableSize, sizeof(Bucket *));
if (tmp) {
ht->arBuckets = tmp;
}
} 
return SUCCESS;
}

在以前的版本中，可以使用pHashFunction来指定hash函数。但现PHP已强制使用DJBX33A算法，因此实际上pHashFunction这个参数并不会用到，保留在这里只是为了与以前的代码兼容。

2 增加、插入和修改元素

向HashTable中添加一个新的元素最关键的就是要确定将这个元素插入到arBuckets数组中的哪个位置。根据上面对Bucket结构键名 的解释，我们可以知道有两种方式向HashTable添加一个新的元素。第一种方法是使用字符串作为键名来插入Bucket；第二种方法是使用索引作为键 名来插入Bucket。第二种方法具体又可以分为两种情况：指定索引或不指定索引，指定索引指的是强制将Bucket插入到指定的索引位置中；不指定索引 则将Bucket插入到nNextFreeElement对应的索引位置中。这几种插入数据的方法实现比较类似，不同的只是定位Bucket的方法。

修改HashTable中的数据的方法与增加数据的方法也很类似。

我们先看第一种使用字符串作为键名增加或修改Bucket的方法：

ZEND_API int _zend_hash_add_or_update(HashTable *ht, char *arKey, uint nKeyLength, void *pData, uint nDataSize, void **pDest, int flag ZEND_FILE_LINE_DC){ulong h;uint nIndex;Bucket *p; 
IS_CONSISTENT(ht);     // 调试信息输出 
if (nKeyLength <= 0) { 
#if ZEND_DEBUG ZEND_PUTS(”zend_hash_update: Can’t put in empty key\n”); 
#endif return FAILURE; } /* 使用hash函数计算arKey的hash值 */ 
h = zend_inline_hash_func(arKey, nKeyLength); 
/* 将hash值和nTableMask按位与后生成该元素在arBuckets中的索引。让它和 * nTableMask按位与是保证不会产生一个使得arBuckets越界的数组下标。 */ nIndex = h & ht->nTableMask; 
p = ht->arBuckets[nIndex];   
/* 取得相应索引对应的Bucket的指针 */ 
/* 检查对应的桶列中是否包含有数据元素(key, hash) */
while (p != NULL) {
if ((p->h == h) && (p->nKeyLength == nKeyLength)) {
if (!memcmp(p->arKey, arKey, nKeyLength)) {
if (flag & HASH_ADD) {
return FAILURE; // 对应的数据元素已存在，不能进行插入操作}
HANDLE_BLOCK_INTERRUPTIONS();
#if ZEND_DEBUGif (p->pData == pData) {
ZEND_PUTS(”Fatal error in zend_hash_update: p->pData == pData\n”);
HANDLE_UNBLOCK_INTERRUPTIONS();
return FAILURE;}
#endifif (ht->pDestructor) {
/* 如果数据元素存在，对原来的数据进行析构操作 */
ht->pDestructor(p->pData);}
/* 用新的数据来更新原来的数据 */
UPDATE_DATA(ht, p, pData, nDataSize);
if (pDest) {*pDest = p->pData;}HANDLE_UNBLOCK_INTERRUPTIONS();return SUCCESS;}}p = p->pNext;} /* HashTable中没有key对应的数据，新增一个Bucket　*/p = (Bucket *) pemalloc(sizeof(Bucket) - 1 + nKeyLength, ht->persistent);if (!p) {return FAILURE;}memcpy(p->arKey, arKey, nKeyLength);p->nKeyLength = nKeyLength;INIT_DATA(ht, p, pData, nDataSize);p->h = h;//　将Bucket加入到相应的桶列中CONNECT_TO_BUCKET_DLLIST(p, ht->arBuckets[nIndex]);if (pDest) {*pDest = p->pData;} 
HANDLE_BLOCK_INTERRUPTIONS();//　将Bucket 加入到HashTable的双向链表中CONNECT_TO_GLOBAL_DLLIST(p, ht);ht->arBuckets[nIndex] = p;HANDLE_UNBLOCK_INTERRUPTIONS(); 
ht->nNumOfElements++;// 如果HashTable已满，重新调整HashTable的大小。ZEND_HASH_IF_FULL_DO_RESIZE(ht);   /* If the Hash table is full, resize it */return SUCCESS;}

因为这个函数是使用字符串作为键名来插入数据的，因此它首先检查nKeyLength的值是否大于0，如果不是的话就直接退出。然后计算arKey对应的 hash值h，将其与nTableMask按位与后得到一个无符号整数nIndex。这个nIndex就是将要插入的Bucket在arBuckets数 组中的索引位置。

现在已经有了arBuckets数组的一个索引，我们知道它包括的数据是一个指向Bucket的双向链表的指针。如果这个双向链表不为空的话我们首先检查 这个双向链表中是否已经包含了用字符串arKey指定的键名的Bucket，这样的Bucket如果存在，并且我们要做的操作是插入新Bucket(通过 flag标识)，这时就应该报错 – 因为在HashTable中键名不可以重复。如果存在，并且是修改操作，则使用在HashTable中指定了析构函数pDestructor对原来的 pData指向的数据进行析构操作；然后将用新的数据替换原来的数据即可成功返回修改操作。
如果在HashTable中没有找到键名指定的数据，就将该数据封装到Bucket中，然后插入HashTable。这里要注意的是如下的两个宏：
CONNECT_TO_BUCKET_DLLIST(p, ht->arBuckets[nIndex])
CONNECT_TO_GLOBAL_DLLIST(p, ht)
前者是将该Bucket插入到指定索引的Bucket双向链表中，后者是插入到整个HashTable的Bucket双向链表中。两者的插入方式也不同，前者是将该Bucket插入到双向链表的最前面，后者是插入到双向链表的最末端。

下面是第二种插入或修改Bucket的方法，即使用索引的方法：

ZEND_API int _zend_hash_index_update_or_next_insert(HashTable *ht, ulong h, void *pData, uint nDataSize, void **pDest, int flag ZEND_FILE_LINE_DC){uint nIndex;Bucket *p; 
IS_CONSISTENT(ht); if (flag & HASH_NEXT_INSERT) {h = ht->nNextFreeElement;}nIndex = h & ht->nTableMask; 
p = ht->arBuckets[nIndex]; // 检查是否含有相应的数据while (p != NULL) {if ((p->nKeyLength == 0) && (p->h == h)) {if (flag & HASH_NEXT_INSERT || flag & HASH_ADD) {return FAILURE;}////　…… 修改Bucket数据，略//if ((long)h >= (long)ht->nNextFreeElement) {ht->nNextFreeElement = h + 1;}if (pDest) {*pDest = p->pData;}return SUCCESS;}p = p->pNext;}p = (Bucket *) pemalloc_rel(sizeof(Bucket) - 1, ht->persistent);if (!p) {return FAILURE;}p->nKeyLength = 0; /* Numeric indices are marked by making the nKeyLength == 0 */p->h = h;INIT_DATA(ht, p, pData, nDataSize);if (pDest) {*pDest = p->pData;} 
CONNECT_TO_BUCKET_DLLIST(p, ht->arBuckets[nIndex]); 
HANDLE_BLOCK_INTERRUPTIONS();ht->arBuckets[nIndex] = p;CONNECT_TO_GLOBAL_DLLIST(p, ht);HANDLE_UNBLOCK_INTERRUPTIONS(); if ((long)h >= (long)ht->nNextFreeElement) {ht->nNextFreeElement = h + 1;}ht->nNumOfElements++;ZEND_HASH_IF_FULL_DO_RESIZE(ht);return SUCCESS;}

flag标志指明当前操作是HASH_NEXT_INSERT(不指定索引插入或修改), HASH_ADD(指定索引插入)还是HASH_UPDATE(指定索引修改)。由于这些操作的实现代码基本相同，因此统一合并成了一个函数，再用flag加以区分。

本函数基本与前一个相同，不同的是如果确定插入到arBuckets数组中的索引的方法。如果操作是HASH_NEXT_INSERT，则直接使用nNextFreeElement作为插入的索引。注意nNextFreeElement的值是如何使用和更新的。
3 访问元素
同样，HashTable用两种方式来访问元素，一种是使用字符串arKey的zend_hash_find()；另一种是使用索引的访问方式zend_hash_index_find()。由于其实现的代码很简单，分析工作就留给读者自已完成。
4 删除元素
HashTable删除数据均使用zend_hash_del_key_or_index()函数来完成，其代码也较为简单，这里也不再详细分析。需要的是注意如何根据arKey或h来计算出相应的下标，以及两个双向链表的指针的处理。
5 遍历元素

/* This is used to recurse elements and selectively delete certain entries
* from a hashtable. apply_func() receives the data and decides if the entry
* should be deleted or recursion should be stopped. The following three
* return codes are possible:
* ZEND_HASH_APPLY_KEEP   - continue
* ZEND_HASH_APPLY_STOP   - stop iteration
* ZEND_HASH_APPLY_REMOVE - delete the element, combineable with the former
*/ 
ZEND_API void zend_hash_apply(HashTable *ht, apply_func_t apply_func TSRMLS_DC){Bucket *p; 
IS_CONSISTENT(ht); 
HASH_PROTECT_RECURSION(ht);p = ht->pListHead;while (p != NULL) {int result = apply_func(p->pData TSRMLS_CC); if (result & ZEND_HASH_APPLY_REMOVE) {p = zend_hash_apply_deleter(ht, p);} else {p = p->pListNext;}if (result & ZEND_HASH_APPLY_STOP) {break;}}HASH_UNPROTECT_RECURSION(ht);}

因为HashTable中所有Bucket都可以通过pListHead指向的双向链表来访问，因此遍历HashTable的实现也比较简单。这里值得一 提的是对当前遍历到的Bucket的处理使用了一个apply_func_t类型的回调函数。根据实际需要，该回调函数返回下面值之一：

ZEND_HASH_APPLY_KEEP
ZEND_HASH_APPLY_STOP
ZEND_HASH_APPLY_REMOVE

它们分别表示继续遍历，停止遍历或删除相应元素后继续遍历。

还有一个要注意的问题就是遍历时的防止递归的问题，也就是防止对同一个HashTable同时进行多次遍历。这是用下面两个宏来实现的：
HASH_PROTECT_RECURSION(ht)
HASH_UNPROTECT_RECURSION(ht)
其主要原理是如果遍历保护标志bApplyProtection为真，则每次进入遍历函数时将nApplyCount值加1，退出遍历函数时将nApplyCount值减1。开始遍历之前如果发现nApplyCount > 3就直接报告错误信息并退出遍历。

上面的apply_func_t不带参数。HashTable还提供带一个参数或可变参数的回调方式，对应的遍历函数分别为:

typedef int (*apply_func_arg_t)(void *pDest,void *argument TSRMLS_DC);void zend_hash_apply_with_argument(HashTable *ht,apply_func_arg_t apply_func, void *data TSRMLS_DC); typedef int (*apply_func_args_t)(void *pDest,int num_args, va_list args, zend_hash_key *hash_key);void zend_hash_apply_with_arguments(HashTable *ht,apply_func_args_t apply_func, int numargs, …);

    除了上面提供的几种提供外，还有许多其它操作HashTable的API。如排序、HashTable的拷贝与合并等等。只要充分理解了上述HashTable的数据结构，理解这些代码并不困难。

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