PHP内核探索之变量(4) - 数组操作
上一节(PHP内核探索之变量（3）- hash table),我们已经知道，数组在PHP的底层实际上是HashTable（链接法解决冲突），本文将对最常用的函数系列-数组操作的相关函数做进一步的跟踪。
本文主要内容：
- PHP中提供的数组操作函数
- 数组操作函数的实现
- 结语参考文献
一、PHP中提供的数组操作函数
可以说，数组是PHP中使用最广泛的数据结构之一，正因如此，PHP为开发者提供了丰富的数组操作函数（参见http://cn2.php.net/manual/en/ref.array.php ）， 大约有80个，这对于绝大多数的数组操作而言，已经足够了。如果按照数组操作的类别来分，这些函数大致可以分为如下几类（不完全分类）：
- 数组遍历相关函数：如prev, next, current, end,reset, each等
- 数组排序相关：如sort, rsort, asort, arsort, ksort, krsort, uasort, uksort
- 数组查找相关: 如in_array, array_search, array_key_exists等
- 数组分割、合并相关： array_slice, array_splice, implode, array_chunk, array_combine等
- 数组交并差：如array_merge, array_diff, array_diff_*, array_intersect, array_intersect_*
- 作为stack/queue容器的数组： 如array_push, array_pop, array_shift
- 其他的数组操作：array_fill, array_flip, array_sum, array_reverse等
PHP中，数组相关的操作有如下特点：
- 数组操作函数是通过扩展的形式(ext/standard/array.c)提供的,因此也会经历扩展的MINIT, RINIT, RSHUTDOWN, MSHUTDOWN等过程。
- 在底层，定义PHP函数的方式是PHP_FUNCTION(function_name)，例如数组操作函数array_merge在底层是PHP_FUNCTION(array_merge)
- 由于数组的底层实现是HashTable，因而数组的绝大多数操作实际上都是针对HashTable的操作，这是通过HashTable API实现的。
接下来，我们以几个具体的函数为例，深入探索PHP中数组函数的实现。
二、数组操作的实现
由于数组的操作实际上是对HashTable的相关操作，因而，我们再次贴出HashTable的结构和结构图，以便参考。
HashTable的结构：
typedef struct _hashtable { uint nTableSize; uint nTableMask; uint nNumOfElements; ulong nNextFreeElement; Bucket *pInternalPointer; /* Used for element traversal */ Bucket *pListHead; Bucket *pListTail; Bucket **arBuckets; dtor_func_t pDestructor; zend_bool persistent; unsigned char nApplyCount; zend_bool bApplyProtection; #if ZEND_DEBUG int inconsistent; #endif } HashTable;
对应的结构图：
接下来，我们以几个数组操作函数为例，来查看具体的操作实现。
1. 数组定义和初始化
在高级语言中，一条简单的语句往往需要在底层中经过很多的操作步骤才能实现，对于数组的操作亦是如此，例如：$arr = array(1, 2, 3);这样的赋值语句，实际上会经历数组初始化(array_init)、添加数组元素(ADD_ARRAY_ELEMENT)、赋值这些步骤才会实现。
（1）数组的初始化
这是通过array_init来实现的,实际上是调用_array_init来完成数组的初始化：
ZEND_API int _array_init(zval *arg, uint size ZEND_FILE_LINE_DC)
{
ALLOC_HASHTABLE_REL(Z_ARRVAL_P(arg));
_zend_hash_init(Z_ARRVAL_P(arg), size, NULL, ZVAL_PTR_DTOR, 0 ZEND_FILE_LINE_RELAY_CC);
Z_TYPE_P(arg) = IS_ARRAY;
return SUCCESS;
}
其中zval *arg即为我们要初始化的数组，第一句ALLOC_HASHTABLE_REL(Z_ARRVAL_P(arg));宏展开后，实际上是：
(*arg).value.ht = (HashTable *) emalloc_rel(sizeof(HashTable));
之后则通过_zend_hash_init函数实现初始化HashTable,并把arg的zval类型设置为IS_ARRAY:
Z_TYPE_P(arg) = IS_ARRAY;
（2） zend_hash_init 上一节已经介绍过，这里不再赘述
2. 数组遍历 prev, next和current
在PHP中，我们可以使用prev, next，current等完成对数组的访问，例如：
$traverse = array(‘one‘, ‘after‘, ‘another‘); $cur = current($traverse); echo "cur:", $cur.PHP_EOL; $next = next($traverse); echo "next: ", $next.PHP_EOL; $nextnext = next($traverse); echo "nextnext: ", $nextnext.PHP_EOL; $prev = prev($traverse); echo "prev: ", $prev.PHP_EOL;
我们知道，HashTable结构体中，有一个成员pInternalPointer, 这个成员便是控制数组的访问指针的。以prev函数为例，对HashTable的遍历实现如下：
（1）将访问指针移动一步
这是通过zend_hash_move_backwards(array);来实现的，具体来说，先找到数组的当前位置或指针:
HashPosition *current = pos ? pos : &ht->pInternalPointer
然后访问这个指针的pListLast找到上一个元素：
*current = (*current)->pListLast;
移动指针的过程如下(可以看出，在不传递pos参数时，实际上移动的是ht-> pInternalPointer这个指针)：
ZEND_API int zend_hash_move_backwards_ex(HashTable *ht, HashPosition *pos)
{
HashPosition *current = pos ? pos : &ht->pInternalPointer;
IS_CONSISTENT(ht);
if (*current) {
*current = (*current)->pListLast;
return SUCCESS;
} else
return FAILURE;
}
（2）如果需要返回值，由于访问指针已经移动到了适当的位置，则直接获取当前指针指向的元素：
if (return_value_used) {
if (zend_hash_get_current_data(array, (void **) &entry) == FAILURE) {
RETURN_FALSE;
}
RETURN_ZVAL(*entry, 1, 0);
}
获取当前指针指向的元素是通过zend_hash_get_current_data来实现的：
#define zend_hash_get_current_data(ht, pData) zend_hash_get_current_data_ex(ht, pData, NULL)
ZEND_API int zend_hash_get_current_data_ex(HashTable *ht, void **pData, HashPosition *pos)
{
Bucket *p;
/* 获取当前指针 */
p = pos ? (*pos) : ht->pInternalPointer;
IS_CONSISTENT(ht);
if (p) {
*pData = p->pData;
return SUCCESS;
} else {
return FAILURE;
}
}
知道了prev函数的原理，我们不难想象next, current, reset等函数的实现机制。
prev函数的源码：
PHP_FUNCTION(prev)
{
HashTable *array;
zval **entry;
if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS() TSRMLS_CC, "H", &array) == FAILURE) {
return;
}
zend_hash_move_backwards(array);
if (return_value_used) {
if (zend_hash_get_current_data(array, (void **) &entry) == FAILURE) {
RETURN_FALSE;
}
RETURN_ZVAL(*entry, 1, 0);
}
}
3. 数组排序 asort，arsort,ksort等
php中提供了大量的函数用于数组的排序，如用于普通排序的sort函数，用于逆序排序的rsort函数，用于按照键名排序的函数ksort和krsort, 用于自定义比较函数的usort和uksort等，可以说非常丰富。我们以sort函数的实现为例，探索PHP中排序算法的实现。
sort函数的签名为：
bool sort ( array &$array [, int $sort_flags = SORT_REGULAR ] )
其中sort_flags会影响排序的结果，该值可以是：SORT_REGULAR，SORT_NUMERIC，SORT_STRING，SORT_LOCALE_STRING，SORT_NATURAL等
（ http://cn2.php.net/manual/zh/function.sort.php ）
sort函数的实现过程如下：
（1）由于sort_flags会影响比较函数的行为，因此首先需要根据sort_type确定用于元素比较的函数（自然排序，整数排序，还是字符串排序，区分大小写还是不区分）。这是通过php_set_compare_func来实现的：
static void php_set_compare_func(int sort_type TSRMLS_DC)
{
switch (sort_type & ~PHP_SORT_FLAG_CASE) {
case PHP_SORT_NUMERIC:
ARRAYG(compare_func) = numeric_compare_function;
break;
case PHP_SORT_STRING:
ARRAYG(compare_func) = sort_type & PHP_SORT_FLAG_CASE ?
string_case_compare_function : string_compare_function;
break;
case PHP_SORT_NATURAL:
ARRAYG(compare_func) = sort_type & PHP_SORT_FLAG_CASE ?
string_natural_case_compare_function : string_natural_compa re_function;
break;
#if HAVE_STRCOLL
case PHP_SORT_LOCALE_STRING:
ARRAYG(compare_func) = string_locale_compare_function;
break;
#endif
case PHP_SORT_REGULAR:
default:
ARRAYG(compare_func) = compare_function;//默认使用compare_function
break;
}
}
switch (sort_type & ~PHP_SORT_FLAG_CASE)这是什么意思呢？首先，PHP针对排序设置的sort_type常量有：
#define PHP_SORT_REGULAR 0 #define PHP_SORT_NUMERIC 1 #define PHP_SORT_STRING 2 #define PHP_SORT_DESC 3 #define PHP_SORT_ASC 4 #define PHP_SORT_LOCALE_STRING 5 #define PHP_SORT_NATURAL 6 #define PHP_SORT_FLAG_CASE 8
其次，sort函数的第二个参数可以设置为SORT_NATURAL | SORT_FLAG_CASE或者SORT_STRING | SORT_FLAG_CASE. 因此sort_type & ~PHP_SORT_FLAG_CASE的含义为：排除PHP_SORT_FLAG_CASE标志之后的值，得到的值可以是PHP_SORT_NUMERIC，PHP_SORT_STRING，PHP_SORT_NATURAL，PHP_SORT_LOCALE_STRING，PHP_SORT_REGULAR。而在PHP_SORT_STRING和PHP_SORT_NATURAL中，还需要通过sort_type & PHP_SORT_FLAG_CASE来判断是否是不区分大小写的排序（即是否使用了SORT_FLAG_CASE标志）。
(2) 设置完sort_type之后，调用zend_hash_sort完成实际的排序：
zend_hash_sort(Z_ARRVAL_P(array), zend_qsort, php_array_data_compare, 1 TSRMLS_CC);
zend_hash_sort的函数签名是：
ZEND_API int zend_hash_sort(HashTable *ht, sort_func_t sort_func, compare_func_t compar, int renumber TSRMLS_DC);
其中:
- HashTable * ht 指向HashTable的指针
- Sort_func_t sort_func 用于排序的函数，因此，实际上是调用zend_qsort来完成排序。
- Compare_func_t compar: 用于排序的比较函数，前一步骤已经设置。
我们首先跟踪zend_hash_sort的基本过程，而后再追踪zend_qsort的具体实现。
由于数组排序并不会改变数组中的元素，而只是改变了数组中元素的位置，因而，对底层而言，实际上只是对全局的双链表进行排序，这显然需要n个额外的空间（n是数组元素个数）：
arTmp = (Bucket **) pemalloc(ht->nNumOfElements * sizeof(Bucket *), ht->persistent);
然后遍历双链表，将双链表的每个节点存储到临时空间（c数组，每个元素是个bucket *）中：
p = ht->pListHead;
i = 0;
while (p) {
arTmp[i] = p;
p = p->pListNext;
i++;
}
现在，可以调用排序函数对数组进行排序了：
(*sort_func)((void *) arTmp, i, sizeof(Bucket *), compar TSRMLS_CC);
实际上是：
zend_qsort((void *) arTmp, i, sizeof(Bucket *), compar TSRMLS_CC);
排序之后，双链表中节点的位置发生了变化，因而需要调整指针的指向。首先调整pListHead，并设置pListTail为NULL:
ht->pListHead = arTmp[0]; ht->pListTail = NULL;
然后遍历数组，分别设置每一个节点的pListLast和pListNext:
arTmp[0]->pListLast = NULL;
if (i > 1) {
arTmp[0]->pListNext = arTmp[1];
for (j = 1; j < i-1; j++) {
arTmp[j]->pListLast = arTmp[j-1];
arTmp[j]->pListNext = arTmp[j+1];
}
arTmp[j]->pListLast = arTmp[j-1];
arTmp[j]->pListNext = NULL;
} else {
arTmp[0]->pListNext = NULL;
}
最后设置HashTable的pListTail：
ht->pListTail = arTmp[i-1];
排序过程如下所示：
排序之后，调整指针走向之后的HashTable：
现在，已经知道zend_hash_sort的基本过程了，我们接着跟踪一下zend_qsort的实现(函数位于Zend/zend_qsort.c)，该函数的签名为：
ZEND_API void zend_qsort(void *base, size_t nmemb, size_t siz, compare_func_t compare TSRMLS_DC);
这实际上是Zend实现的快速排序算法，主要包括两个部分：
1. _zend_qsort_swap(void *a, void *b, size_t siz) 用于交换任意类型的两个值，与我们经常使用的swap(int *a ,int *b), 或者swap(char *a, char *b), _zend_qsort_swap有更好的通用性，因而它的实现也略微复杂， 具体交换过程为：
(1) . 以sizeof(int)为步长, 交换指针指向的值:
for (i = sizeof(int); i <= siz; i += sizeof(int)) { t_i = *tmp_a_int; *tmp_a_int++ = *tmp_b_int; *tmp_b_int++ = t_i; }
这个循环执行完毕后，有两种可能的情况：一种是siz刚好是sizeof(int)的整倍数,那么交换就已经完成了，因为指针a和指针b指向的内存空间的值已经完全得到了交换。另一种情况是, siz并不是sizeof(int)的整倍数,那么实际上上述交换步骤多交换了一些字节的值(例如对于sizeof(int)=4的情况，可能多交换了1,2,3个字节的内存的值)，那么对于这多交换出来的一部分，还需要交换回去。怎么做呢？
(2). 使用char指针一个一个字节的交换：
tmp_a_char = (char *) tmp_a_int;
tmp_b_char = (char *) tmp_b_int;
for (i = i - sizeof(int) + 1; i <= siz; ++i) {//i控制交换次数
t_c = *tmp_a_char;
*tmp_a_char++ = *tmp_b_char;
*tmp_b_char++ = t_c;
}
这样就完成了交换。
2. zend_qsort(void *base, size_t nmemb, size_t siz, compare_func_t compare TSRMLS_DC). 快速排序算法，与常见的快速排序算法不同，这是非递归版本的快速排序。算法的基本思想是：使用QSORT_STACK_SIZE大小的栈（实际上是数组，不过每次都取数组的末尾元素，当做栈使用）存储快排的开始索引和结束索引(指针）,从而将递归的快排过程转换为非递归的。
综上,我们可以得出PHP排序函数的一般特点：
a. 需要额外的空间，空间复杂度是O(n), 因而应该尽量避免对很大的数组排序.
b. 底层使用快速排序，平均时间复杂度是O（n*lgn）
zend_qsort的 实现代码（有兴趣的童鞋可以研究一下实现细节）：
ZEND_API void zend_qsort(void *base, size_t nmemb, size_t siz, compare_func_t compare TSRMLS_DC)
{
/* 存储开始和结束指针的栈 */
void *begin_stack[QSORT_STACK_SIZE];
void *end_stack[QSORT_STACK_SIZE];
register char *begin;
register char *end;
register char *seg1;
register char *seg2;
/* partition index */
register char *seg2p;
register int loop;
/* pivot index */
uint offset;
begin_stack[0] = (char *) base;
end_stack[0] = (char *) base + ((nmemb - 1) * siz);
for (loop = 0; loop >= 0; --loop) {
begin = begin_stack[loop];
end = end_stack[loop];
/* partition的过程 */
while (begin < end) {
offset = (end - begin) >> 1;
_zend_qsort_swap(begin, begin + (offset - (offset % siz)), siz);
seg1 = begin + siz;
seg2 = end;
while (1) {
/* 从左向右找 */
for (; seg1 < seg2 && compare(begin, seg1 TSRMLS_CC) > 0;
seg1 += siz);
/* 从右向左找 */
for (; seg2 >= seg1 && compare(seg2, begin TSRMLS_CC) > 0;
seg2 -= siz);
if (seg1 >= seg2)
break;
/* 交换seg1和seg2指向的值 */
_zend_qsort_swap(seg1, seg2, siz);
/* 指针移动，每次都是siz步长 */
seg1 += siz;
seg2 -= siz;
}
_zend_qsort_swap(begin, seg2, siz);
seg2p = seg2;
/* 右半部分 */
if ((seg2p - begin) <= (end - seg2p)) {
if ((seg2p + siz) < end) {
begin_stack[loop] = seg2p + siz;
end_stack[loop++] = end;
}
end = seg2p - siz;
}
else { /* 左半部分 */
if ((seg2p - siz) > begin) {
begin_stack[loop] = begin;
end_stack[loop++] = seg2p - siz;
}
begin = seg2p + siz;
}
}
}
}
4. 数组合并 array_merge
array_merge用于合并两个或者多个数组（实际上，array_merge可以仅传入一个数组参数如array_merge($a) ）例如:
$a = array(‘index‘ => "a",1 =>‘a‘); $b = array(‘index‘ => "b",1 =>‘b‘); print_r(array_merge($a, $b));
结果是：
Array ( [index] => b [0] => a [1] => b )
那么，对于array_merge, PHP底层是如何处理字符串索引和数字索引的呢？
PHP_FUNCTION(array_merge)
{
php_array_merge_or_replace_wrapper(INTERNAL_FUNCTION_PARAM_PASSTHRU, 0, 0);
}
因此，实际上是通过php_array_merge_or_replace_wrapper来完成的，继续查看php_array_merge_or_replace_wrapper的实现:
static void php_array_merge_or_replace_wrapper(INTERNAL_FUNCTION_PARAMETERS, int recursive, int replace);
注意传入的参数,recursive=0, replace=0 ( 不递归merge,数字索引不替换 ) ，而INTERNAL_FUNCTION_PARAMETERS是：
#define INTERNAL_FUNCTION_PARAMETERS int ht, zval *return_value, zval **return_value_ptr, zval *this_ptr, int return_value_used TSRMLS_DC
array_merge的基本过程是：
(1) 确定初始化数组的大小（使用元素最多的数组的大小作为结果数组的初始大小），初始化数组：
for (i = 0; i < argc; i++) {
/* 不是数组 */
if (Z_TYPE_PP(args[i]) != IS_ARRAY) {
php_error_docref(NULL TSRMLS_CC, E_WARNING, "Argument #%d is not an array", i + 1);
efree(args);
RETURN_NULL();
} else {
int num = zend_hash_num_elements(Z_ARRVAL_PP(args[i]));
/* 使用元素最多的数组的大小作为init_size的大小 */
if (num > init_size) {
init_size = num;
}
}
}
array_init_size(return_value, init_size);
return_value是个zval *, 它指向返回值的zval
(2) 对array_merge参数中的每个数组，依次执行php_array_merge(由于replace=0和recursive=0)， 我们只看第一个分支：
for (i = 0; i < argc; i++) {
SEPARATE_ZVAL(args[i]);
if (!replace) {
php_array_merge(Z_ARRVAL_P(return_value), Z_ARRVAL_PP(args[i]), recursive TSRMLS_CC);
}
}
SEPARATE_ZVAL用于创建一个与原始数据相同的zval，避免在操作的过程中修改参数的值（参数是非引用传递的情况下）。而真正的merge过程是通过php_array_merge来实现的。
(3) merge的过程
由于PHP数组中包含字符串索引和数字索引，对于这两类不同的索引，merge的处理是不同的（replace=0, recursive=0，只看对应的分支）：
switch (zend_hash_get_current_key_ex(src, &string_key, &string_key_len, &num_key, 0, &pos)){
case HASH_KEY_IS_STRING:
Z_ADDREF_PP(src_entry);
zend_hash_update(dest, string_key, string_key_len, src_entry, sizeof(zval *), NULL);
break;
case HASH_KEY_IS_LONG:
Z_ADDREF_PP(src_entry);
zend_hash_next_index_insert(dest, src_entry, sizeof(zval *), NULL);
break;
}
上述代码表明：对于字符串索引，PHP在执行array_merge的时候，会更新字符串索引的值，其结果就是参数靠后数组的值会覆盖靠前的数组的值。而对于数字型索引，PHP执行的zend_hash_next_index_insert操作，也就是插入一个新的元素，这同时也更改了键（例如原来的key=2, array_merge之后，可能变成了0）。这也解释了最开始array_merge脚本的输出：
$a = array(‘index‘ => "a",1 =>‘a‘); $b = array(‘index‘ => "b",1 =>‘b‘); print_r(array_merge($a, $b));
更多的数组操作函数我们不再一一介绍，只要知道了HashTable的结构，要理解这些实现，并不困难。
由于写作匆忙，本文难免会有错误之处，敬请批评指正。
ps: 近期正在补习C语言/操作系统的相关基础，尤其是指针/内存管理这一块，有一起的同学，欢迎交流。
三、参考文献
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