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一起學習PHP7核心之HashTable

之前的兩位篇文章深入理解PHP7核心之zval 和深入理解PHP7核心之Reference, 我介紹了當時在開發PHP7的時候對zval和reference的一些改造思考和結果, 之後因為確實精力有限就沒有繼續往下寫，時隔一年多以後，因為這場突如其來的疫情，在家辦公的時間很多，於是終於有了時間讓我來繼續介紹一下PHP7的中Hashtable的變化, 以及當時我們做這些變化背後的考量.

PHP5

#對於PHP核心一直有關注的同學, 應該對PHP5的Hashtable會比較熟悉, 但我們還是先來簡單回顧一下PHP5的Hashtable:

在PHP5的實現中, Hashtable的核心是存儲了一個個指向zval指針的指針, 也就是zval**(我遇到不少的同學問為什麼是zval**, 而不是zval*, 這個原因其實很簡單, 因為Hashtable中的多個位置都可能指向同一個zval, 那麼最常見的一個可能就是在COW的時候, 當我們需要把一個變數指向一個新的zval的時候, 如果在符號表中存的是zval*, 那們我們就做不到對一處修改, 所有的持有方都有感知, 所以必須是zval**), 這樣的設計在最初的出發點是為了讓Hashtable可以存儲任何尺寸的任何信息, 不僅僅是指針, 還可以存儲一段內存值(當然實際上大部分情況下，比如符號表還是存的zval的指標).

PHP5的程式碼中也用了比較Hack的方式來判斷儲存的是什麼:

#define UPDATE_DATA(ht, p, pData, nDataSize)                                            
    if (nDataSize == sizeof(void*)) {                                                   
        if ((p)->pData != &(p)->pDataPtr) {                                             
            pefree_rel((p)->pData, (ht)->persistent);                                   
        }                                                                               
        memcpy(&(p)->pDataPtr, pData, sizeof(void *));                                  
        (p)->pData = &(p)->pDataPtr;                                                    
    } else {                                                                            
        if ((p)->pData == &(p)->pDataPtr) {                                             
            (p)->pData = (void *) pemalloc_rel(nDataSize, (ht)->persistent);            
            (p)->pDataPtr=NULL;                                                         
        } else {                                                                        
            (p)->pData = (void *) perealloc_rel((p)->pData, nDataSize, (ht)->persistent);   \
            /* (p)->pDataPtr is already NULL so no need to initialize it */             \
        }                                                                              
        memcpy((p)->pData, pData, nDataSize);                                           
    }

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它來判斷儲存的size是不是一個指針大小, 從而採用不同的方式來更新儲存的內容。非常Hack的方式。

PHP5的Hashtable對於每一個Bucket都是分開申請釋放的。

而儲存在Hashtable中的資料是也會透過pListNext指標串成一個list，可以直接遍歷，關於這塊可以參考我很早的一篇文章深入理解PHP之數組

#問題

在寫PHP7的時候，我們詳細思考了幾點可能優化的點，包括也從效能角度總結了以下目前這種實作的幾個問題：

#Hashtable在PHP中，應用最多的是保存各種zval, 而PHP5的HashTable設計的太通用，可以設計為專門為了存儲zval而優化, 從而能減少內存佔用。
2. 快取局部性問題，因為PHP5的Hashtable的Bucket，包括zval都是獨立分配的，並且採用了List來串Hashtable中的所有元素，會導致在遍歷或順序存取一個陣列的時候，快取不友善。

例如如圖所示在PHP程式碼中常見的foreach一個數組，就會發生多次的記憶體跳躍.
3. 和1類似，在PHP5的Hashtable中，要訪問一個zval，因為是zval**，那需要至少解指針倆次，一方面是緩存不友好，另外一方面也是效率低下。
例如上圖中，藍色框的部分，我們找到數組中的bucket以後，還需要解開zval**，才可以讀取到實際的zval的內容。也就是需要發生倆次記憶體讀取。效率低。

當然還有很多的其他的問題，此處不再贅述，說實在的畢竟倆年多了，當時怎麼想的，現在有些也想不起來了，現在我們來看看PHP7的

PHP7

首先在PHP7中，我們當時的考慮是可能因為擔心Hashtable用的太多，我們新設計的結構體可能不一定能Cover所有的場景，於是我們新定義了一個結構體叫做zend_array, 當然最後經過一系列的努力，發現zend_array可以完全替代Hashtable，最後還是保留了Hashtable和zend_array倆個名字，只不過互為Alias.
再下面的文章中，我會用HashTable來特指PHP5中的Hashtable，而用zend_array來指涉PHP7中的Hashtable.

我們先來看看zend_array的定義:

struct _zend_array {
    zend_refcounted_h gc;
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    flags,
                zend_uchar    _unused,
                zend_uchar    nIteratorsCount,
                zend_uchar    _unused2)
        } 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;
};

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相較於PHP5時代的Hashtable，zend_array的記憶體佔用從PHP5點72個字節，降低到了56個字節，想想一個PHP生命進程中成千上萬的數組，記憶體降低明顯。

這裡再次特別說明下上面zend_array定義中的ZEND_ENDIAN_LOHT_4這個作用，這個是為了解決大小端問題，在大端小端上都能讓其中的元素保證同樣的內存存儲順序，可以方便我們寫出通用的位元操作。在PHP7中，位元操作應用的很多，因為這樣一來一個位元組就可以保存8個狀態位，很節省記憶體:)

#ifdef WORDS_BIGENDIAN
# define ZEND_ENDIAN_LOHI_4(a, b, c, d)    d; c; b; a;
#else
# define ZEND_ENDIAN_LOHI_4(a, b, c, d)    a; b; c; d;
#endif

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而資料會核心保存在arData中，arData是一個Bucket數組，Bucket定義:

typedef struct _Bucket {
    zval              val;
    zend_ulong        h;   /* hash value (or numeric index)   */
    zend_string      *key; /* string key or NULL for numerics */
} Bucket

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再對比看下PHP5多Bucket:

typedef struct bucket {
    ulong h;               /* Used for numeric indexing */
    uint nKeyLength;
    void *pData;
    void *pDataPtr;
    struct bucket *pListNext;
    struct bucket *pListLast;
    struct bucket *pNext;
    struct bucket *pLast;
    const char *arKey;
} Bucket;

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內存佔用從72字節，降低到了32個字節，想想一個PHP進程中幾十萬的陣列元素，這個記憶體降低就更明顯了.

對比的看，

现在的冲突拉链被bauck.zval->u2.next替代，于是bucket->pNext, bucket->pLast可以去掉了。
zend_array->arData是一个数组，所以也就不再需要pListNext, pListLast来保持顺序了, 他们也可以去掉了。现在数组中元素的先后顺序，完全根据它在arData中的index顺序决定，先加入的元素在低的index中。
PHP7中的Bucket现在直接保存一个zval, 取代了PHP5时代bucket中的pData和pDataPtr。
最后就是PHP7中现在使用zend_string作为数组的字符串key，取代了PHP5时代bucket的*key, nKeylength.

现在我们来整体看下zend_array的组织图：

回顾下深入理解PHP7内核之ZVAL, 现在的zend_array就可以应付各种场景下的HashTable的作用了。
特别说明对是除了一个问题就是之前提到过的IS_INDIRECT, 不知道大家是否还记得. 上一篇我说过原来HashTable为什么要设计保存zval**，那么现在因为_Bucket直接保存的是zval了，那怎么解决COW的时候一处修改多处可见的需求呢？ IS_INDIRECT就应用而生了，IS_INDIRECT类型其实可以理解为就是一个zval*的结构体。它被广泛应用在GLOBALS，Properties等多个需要俩个HashTable指向同于一个ZVAL的场景。

另外，对于原来一些扩展会使用HashTable来保存一些自己的内存，现在可以通过IS_PTR这种zval类型来实现。

现在arData因为是一个连续的数组了，那么当foreach的时候，就可以顺序访问一块连续的内存，而现在zval直接保存在bucket中，那么在绝大部分情况下（不需要外部指针的内容，比如long，bool之类的）就可以不需要任何额外的zval指针解引用了，缓存局部性友好，性能提升非常明显。

还有就是PHP5的时代，查找数组元素的时候，因为传递进来的是char *key，所有需要每次查找都计算key的Hash值，而现在查找的时候传递进来的key是zend_string, Hash值不需要重新计算，此处也有部分性能提升。

ZEND_API zval* ZEND_FASTCALL zend_hash_find(const HashTable *ht, zend_string *key);
ZEND_API zval* ZEND_FASTCALL zend_hash_str_find(const HashTable *ht, const char *key, size_t len);
ZEND_API zval* ZEND_FASTCALL zend_hash_index_find(const HashTable *ht, zend_ulong h);
ZEND_API zval* ZEND_FASTCALL _zend_hash_index_find(const HashTable *ht, zend_ulong h);

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当然，PHP7也保留了直接通过char* 查找的zend_hash_str_find API，这对于一些只有char*的场景，可以避免生成zend_string的内存开销，也是很有用的。

另外，我们还做了不少进一步的优化:

Packed array

对于字符串key的数组来说， zend_array在arHash中保存了Hash值到arData的对应，有同学可能会好奇怎么没有在zend_array中看到arHash? 这是因为arHash和arData是一次分配的:

HashTable Data Layout
=====================
 
         +=============================+
pointer->| HT_HASH(ht, ht->nTableMask) |
         | ...                         |
         | HT_HASH(ht, -1)             |
         +-----------------------------+
arData ->| Bucket[0]                   |
         | ...                         |
         | Bucket[ht->nTableSize-1]    |
         +=============================+

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如图，事实上arData是一块分配的内存的中间部分，分配的内存真正的起始位置其实是pointer，而arData是计算过的一处中间位置，这样就可以用一个指针来表达俩个位置，分别通过前后偏移来获取位置，比如-1对应的是arHash[0], 这个技巧在PHP7的过程中我们也大量应用了，比如因为zend_object是变长的，所以不能在他后面有其他元素，为了实现一些自定义的object，那么我们会在zend_object前面分配自定义的元素等等。

而对于全部是数字key的数组，arHash就显得没那么必要了，所以此时我们就用了一种新的数组, packed array来优化这个场景。

对于HASH_FLAG_PACKED的数组(标志在zend_array->u.flags)中，它们是只有连续数字key的数组，它们不需要Hash值来映射，所以这样的数组读取的时候，就相当于你直接访问C数组，直接根据偏移来获取zval.

<?php
echo "Packed array:\n";
$begin = memory_get_usage();
$array = range(0, 10000);
echo "Memory: ", memory_get_usage() - $begin, " bytes\n";
$begin = memory_get_usage();
$array[10001] = 1;
echo "Memory Increased: ", memory_get_usage() - $begin, " bytes\n";
 
$start = microtime(true);
for ($i = 0; $i < 10000; $i++) {
    $array[$i];
}
echo "Time: ", (microtime(true) - $start) * 1000 , " ms\n";
 
unset($array);
 
echo "\nMixed array:\n";
$begin = memory_get_usage();
$array = range(0, 10000);
echo "Memory: ", memory_get_usage() - $begin, " bytes\n";
$begin = memory_get_usage();
$array["foo"] = 1;
echo "Memory Increased: ", memory_get_usage() - $begin, " bytes\n";
 
$start = microtime(true);
for ($i = 0; $i < 10000; $i++) {
    $array[$i];
}
echo "Time: ", (microtime(true) - $start) * 1000 ," ms\n";

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如图所示的简单测试，在我的机器上输出如下(请注意，这个测试的部分结果可能会受你的机器，包括装了什么扩展相关，所以记得要-n)：

$ /home/huixinchen/local/php74/bin/php -n /tmp/1.php
Packed array:
Memory: 528480 bytes
Memory Increased: 0 bytes
Time: 0.49519538879395 ms
 
Mixed array:
Memory: 528480 bytes
Memory Increased: 131072 bytes
Time: 0.63300132751465 ms

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可以看到，当我们使用$array[“foo”]=1, 强迫一个数组从PACKED ARRAY变成一个Mixed Array以后，内存增长很明显，这部分是因为需要为10000个arHash分配内存。
而通过Index遍历的耗时，Packed Array仅仅是Mixed Array的78%。

Static key array

对于字符串array来说， destructor的时候是需要释放字符串key的, 数组copy的时候也要增加key的计数，但是如果所有的key都是INTERNED字符串，那事实上我们不需要管这些了。于是就有了这个HASH_FLAG_STATIC_KEYS。

Empty array

我们分析发现，在实际使用中，有大量的空数组，针对这些, 我们在初始化数组的时候，如果不特殊申明，默认是不会分配arData的，此时会把数组标志为HASH_FLAG_UNINITIALIZED，只有当发生实际的写入的时候，才会分配arData。

Immutable array

类似于INTERNED STRING，PHP7中我们也引入了一种Imuutable array, 标志在array->gc.flags中的IS_ARRAY_IMMUTABLE, 大家可以理解为不可更改的数组，对于这种数组，不会发生COW，不需要计数，这个也会极大的提高这种数据的操作性能，我的Yaconf中也大量应用了这种数据特性。

SIMD

后来的PHP7的版本中，我实现了一套SIMD指令集优化的框架，比如SIMD的base64_encode, 而在HashTable的初始化中，我们也应用了部分这样的指令集（此处应用虽然很微小，但有必要提一下):

ifdef __SSE2__
        do {
            __m128i xmm0 = _mm_setzero_si128();
            xmm0 = _mm_cmpeq_epi8(xmm0, xmm0);
            _mm_storeu_si128((__m128i*)&HT_HASH_EX(data,  0), xmm0);
            _mm_storeu_si128((__m128i*)&HT_HASH_EX(data,  4), xmm0);
            _mm_storeu_si128((__m128i*)&HT_HASH_EX(data,  8), xmm0);
            _mm_storeu_si128((__m128i*)&HT_HASH_EX(data, 12), xmm0);
        } while (0);
#else
        HT_HASH_EX(data,  0) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  1) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  2) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  3) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  4) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  5) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  6) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  7) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  8) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  9) = -1;
        HT_HASH_EX(data, 10) = -1;
        HT_HASH_EX(data, 11) = -1;
        HT_HASH_EX(data, 12) = -1;
        HT_HASH_EX(data, 13) = -1;
        HT_HASH_EX(data, 14) = -1;
        HT_HASH_EX(data, 15) = -1;
#endif

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存在的问题

在实现zend_array替换HashTable中我们遇到了很多的问题，绝大部份它们都被解决了，但遗留了一个问题，因为现在arData是连续分配的，那么当数组增长大小到需要扩容到时候，我们只能重新realloc内存，但系统并不保证你realloc以后，地址不会发生变化，那么就有可能：

<?php
$array = range(0, 7);
 
set_error_handler(function($err, $msg) {
    global $array;
    $array[] = 1; //force resize;
});
 
function crash() {
    global $array;
    $array[0] += $var; //undefined notice
}
 
crash();

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比如上面的例子，首先是一个全局数组，然后在函数crash中，在+= opcode handler中，zend vm会首先获取array[0]的内容，然后+$var, 但var是undefined variable，所以此时会触发一个未定义变量的notice，而同时我们设置了error_handler, 在其中我们给这个数组增加了一个元素，因为PHP中的数组按照2^n的空间预先申请，此时数组满了，需要resize，于是发生了realloc，从error_handler返回以后，array[0]指向的内存就可能发生了变化，此时会出现内存读写错误，甚至segfault，有兴趣的同学，可以尝试用valgrind跑这个例子看看。

但这个问题的触发条件比较多，修复需要额外对数据结构，或者需要拆分add_assign对性能会有影响，另外绝大部分情况下因为数组的预先分配策略存在，以及其他大部分多opcode handler读写操作基本都很临近，这个问题其实很难被实际代码触发，所以这个问题一直悬停着。

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