剖析PHP底層數組是如何實現的

　　PHP是一門入門容易，使用範圍普遍的語言，以其靈活性以及web後端開發被不少人熟知，也被不少人戲稱「PHP是世界上最好的語言」。本人是一名「忠實」的PHPer，相信用過PHP的程序員都會體會到PHP數組的靈活性，相對傳統的C語言，使用起來非常方便，擁有關聯數組（key值能夠是字符串），不須要預約義數組空間大小，關聯數組，不須要指定key的快速索引賦值等等便利方法，這段時間研究了一下PHP數組的底層結構，並總結分析，裏面含有一些我本身的猜測，若有錯誤請指出。

1.PHP的數組底層結構

　　哈希結構是一種很是重要的數據結構，他是一種經過key映射到value的結構，因爲其特性，能夠在大部分的狀況下讓查找和插入的效率達到O(1)，在不少語言或者系統裏面都有顯性得體現出來，具體的實現思路有不少種。詳細的介紹能夠看個人博客數據結構之哈希結構

　　PHP的數組是用鏈地址法的哈希結構去實現的，鏈表是雙向鏈表，這樣既能夠動態分配數組空間，也能夠經過key值去計算hash值去訪問對應的元素，是一種很是高效的數據結構。

　　下面是PHP  Bucket的結構，Bucket是一個基本結點的結構，Bucket是以存放基本元素的容器，能夠簡單理解爲數組元素的房子。

typedef struct Bucket{
   ulong h;//哈希值
   uint nKeyLength; //key的長度，若是key是整形，則此項不須要賦值
   Bucket*  pNext;   //該桶後面的桶，衝突處理的桶
   Bucket*  pLast;   //該桶前面的桶，衝突處理的桶
   Bucket*  pListNext;  //用以記錄數組的順序，該元素前一個元素。
   Bucket*  pListLast;  //用以記錄數組的順序，該元素後一個元素。
   const char * pData; //模擬記錄PHP數據，原來是void *pData和 void *pDataPtr
   char arKey[1]           //記錄key，之因此是[1]是由於這是柔性成員，具體能夠百度C99柔性成員
}Bucket;

　　下面是PHP  HashTable結構，HashTable是用以存儲Bucket數組和Bucket信息的哈希表結構，採用雙向鏈表的拉鍊法結構。

typedef struct HashTable{
   uint nTableSize;   //哈希表的大小
   uint nTableMask;  //哈希表掩碼，用以矯正過長的哈希值
   ulong nNumOfElements;  //記錄當前哈希表存儲了多少個元素，用count($arr)其實就是取出hash表的這個數據
   ulong NextFreeELement;  //記錄下一個空閒位置的索引位置，$arr[]=$value裏的$value就會放到該空間。
   Bucket*  pListHead; //記錄PHP數組的第一個元素
   Bucket*  pLstTail;    //記錄PHP數組的最後一個元素
   Bucket*  pInternalPointer; //記錄當前哈希表指向的Bucket，在foreach，current，next，prev等等會用到，
   Bucket**  arBuckets; //指向存儲實際Hash數組的指針的指針。
}

　　可能首次去看數據結構可能會以爲有點難受，密密麻麻的一堆東西，下面我會一個個分析數據字段。

2.Bucket結構體

　　1.h（哈希值）

　　經過key映射的哈希值（未通過糾正）h，爲了讓不一樣key值均勻分配到哈希表的各個位置，必需要有一個好的哈希函數，而PHP選用的是time33算法，也就是下面的算法（簡化版）。

ulong hash(const char* key){
   ulong hash;
   for(int i=0;key[i];i++){
       hash=hash*33+key[i];
   }
   return hash;
}

　　固然啦在PHP的具體實現細節又會有點不一樣，可是原理是差很少的。

　　2.nKeyLength（字符的個數）

　　若是使用的是關聯索引，那麼此處nKeyLength就是字符的個數，好比說$arr['key']='value' ，那麼這個值就爲3，若是是索引數組，此字段就不會用上。

　　3.pNext pLast （記錄該桶的先後桶）

　　繼續引用百度的圖，相似於下面的哈希表，拿元素337來講，他的pNext指向353的位置，pLast指向1的位置，只不過下面是單向鏈表，沒有看到當前元素指向前一個元素。

 

　　4.pListNext（記錄該桶在數據上的後元素）

　　這個字段從命名意思就能夠看出，是鏈表的指向後繼元素的指針。好比說做以下賦值。guangdong的pListNext指向beijing，beijing的pListNext指向shanghai.....

$arr[2]="guangdong";
$arr[1]="beijing";
$arr[3]="shanghai";
$arr[4]="zhejiang";

　　因此你若是用foreach去遍歷數組，會發現一個很有趣的現象。輸出的結果以下，竟然不是按照數組下標1,2,3,4順序去輸出，其實只要你理解了PHP的存儲數組的數據結構你就很明白了。

2 => "guangdong"
1 => "beijing"
3 => "shanghai"
4 => "zhejiang"

　　他的數據結構以下圖顯示，第一個元素是guangdong，而後來個元素beijing，因而guangdong的pListLast指向beijing，後面的元素同理。而foreach遍歷會從第一個元素（也就是pListHead指向的Bucket，詳看下文HashTable的介紹）去輸出，而後再指向下一個元素，所以輸出的順序不是按照下標來的，而是按照賦值順序來的，這也是爲何foreach遍歷數組要比for遍歷要快的緣由，由於for每次查找元素都要去作一次哈希映射查找對應下標的Bucket，而foreach只須要遍歷Bucket鏈表就行了。pListLast與pListNext同理，只是指向前一個數組元素。

　　5.arKey(用以存儲key值)

　　　　這是一個c99柔性成員，若是須要深究能夠百度查查c的柔性成員，若是這一個關聯數組，這個arKey就是存儲對應的key值。$arr['abc']='value';那麼arKey存儲的就是abc。

3.HashTable結構體

　　1.nTableSize(哈希表的大小)

　　這是哈希表的分配Bucket空間的大小，默認會分配8個Bucket空間，當存儲元素個數大於8個就會存儲16個，如此下去，存儲的個數爲2x大小，即8,16,32,64...

 　　2.nTableMask(糾正掩碼)

　　用以糾正過長的哈希值，值爲nTableSize-1，好比說一個我有一個字符通過哈希函數得出值爲9，可是nTableSize爲8，那該怎麼辦呢，存放到第1個位置吧，計算方法就是9 　　mod 8，可是在計算機裏面下標是從0開始，所以咱們會使用&運算得出結果，9&7=1。

　　3.nNumOfElements(數組元素個數)

　　用以統計數組元素的個數，PHP的count()元素其實就是獲取這個值。

　　4.NextFreeElement(下一個空閒的元素)

　　用以存儲下一個空閒的元素的值。當你的數組是索引數組，用到$arr[]=value賦值就會用到，若是你上次賦值的元素下標是100，那麼NextFreeELement就爲101了。無關你的元素個數。

　　5.pListHead(鏈表的頭部元素)

　　這個Bucket指針從名字就能夠看出來，用以指向鏈表的頭部元素，例如你給一個數組第一次附上一個值$arr[]=value1，那麼這個指針就是指向value1。

　　6.pListTail(鏈表的尾部元素)

　　原理同上，只是指向尾部元素，每次來一個新的數組元素，pListTail就會指向它。

　　7.nInternalPointer(用以指向內部指向的元素)

　　若是咱們用foreach遍歷數組，這個指針就會指向當前遍歷的元素，用以保存當前指向記錄。用到此項的還有current()，next()，prev()函數。

 　　8.arBuckets(用以存儲Bucket在C的內部數組)

　　此項爲指針的指針，能夠用於操做Bucket數組。

　　下面列出一副圖來講明PHP的數組結構（爲版面清晰忽略了兩種指向前一個Bucket的指針：pListLast，pLast）。

 　　最後我大概猜測一下foreach函數的執行過程，首先是將nInternalPointer指向HashTable的第一個Buckets，也就是pListHead，若是不爲空則輸出該元素，而後nInternaPointer指向該Bucket的下一個元素，也就是pListNext，如此循環下去。

void foreach_print(HashTable *ht){
    // 指向數組的頭元素
    ht->pInternalPointer=ht->pListHead;
    // 若是不空則循環遍歷下去
    while(ht->pInternalPointer){
        printf("[%s][%s]\n", ht->pInternalPointer->arKey,ht->pInternalPointer->pData);
        // 而後指向下一個元素
        ht->pInternalPointer = ht->pInternalPointer->pListNext;
    }
}

 　　最後附上本身的關聯數組實現方法，各位有興趣的能夠下載來看看。

 　　點擊下載