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深入PHP中的HashTable结构详解

作者:用户 来源:互联网 时间:2017-12-01 12:38:56

结构

深入PHP中的HashTable结构详解 - 摘要: 本文讲的是深入PHP中的HashTable结构详解,HashTable是Zend引擎中最重要、使用最广泛的数据结构,它被用来存储几乎所有的东西。1.2.1 数据结构HashTable数据结构定义如下:typedef struct bucket { ulong h; // 存放hash

HashTable是Zend引擎中最重要、使用最广泛的数据结构,它被用来存储几乎所有的东西。
1.2.1 数据结构
HashTable数据结构定义如下:
typedef struct bucket { ulong h;    // 存放hash uint nKeyLength; void *pData;   // 指向value,是用户数据的副本 void *pDataPtr; struct bucket *pListNext; // pListNext和pListLast组成 struct bucket *pListLast; // 整个HashTable的双链表 struct bucket *pNext;  // pNext和pLast用于组成某个hash对应 struct bucket *pLast;  // 的双链表 char arKey[1];    // key} Bucket;typedef struct _hashtable { uint nTableSize; uint nTableMask; uint nNumOfElements; ulong nNextFreeElement; Bucket *pInternalPointer; /* Used for element traversal */ Bucket *pListHead; Bucket *pListTail; Bucket **arBuckets;   // hash数组 dtor_func_t pDestructor; // HashTable初始化时指定,销毁Bucket时调用 zend_bool persistent;  // 是否采用C的内存分配例程 unsigned char nApplyCount; zend_bool bApplyProtection;#if ZEND_DEBUG int inconsistent;#endif} HashTable;


总的来说,Zend的HashTable是一种链表散列,同时也为线性遍历进行了优化,图示如下:
深入<a href=PHP中的HashTable结构详解">
HashTable中包含两种数据结构,一个链表散列和一个双向链表,前者用于进行快速键-值查询,后者方便线性遍历和排序,一个Bucket同时存在于这两个数据结构中。
关于该数据结构的几点解释:
链表散列中为什么使用双向链表。
一般的链表散列只需要按key进行操作,只需要单链表就够了。但是,Zend有时需要从链表散列中删除给定的Bucket,使用双链表可以非常高效的实现。
nTableMask是干什么的。
这个值用于hash值到arBuckets数组下标的转换。当初始化一个HashTable,Zend首先为arBuckets数组分配nTableSize大小的内存,nTableSize取不小于用户指定大小的最小的2^n,即二进制的10*。nTableMask = nTableSize – 1,即二进制的01*,此时h & nTableMask就恰好落在 [0, nTableSize – 1] 里,Zend就以其为index来访问arBuckets数组。
pDataPtr是干什么的。
通常情况下,当用户插入一个键值对时,Zend会将value复制一份,并将pData指向value副本。复制操作需要调用Zend内部例程 emalloc来分配内存,这是个非常耗时的操作,并且会消耗比value大的一块内存(多出的内存用于存放cookie),如果value很小的话,将会造成较大的浪费。考虑到HashTable多用于存放指针值,于是Zend引入pDataPtr,当value小到和指针一样长时,Zend就直接将其复制到pDataPtr里,并且将pData指向pDataPtr。这就避免了emalloc操作,同时也有利于提高Cache命中率。
arKey大小为什么只有1。为什么不使用指针管理key。
arKey是存放key的数组,但其大小却只有1,并不足以放下key。在HashTable的初始化函数里可以找到如下代码:
p = (Bucket *) pemalloc(sizeof(Bucket) - 1 + nKeyLength, ht->persistent);

可见,Zend为一个Bucket分配了一块足够放下自己和key的内存,上半部分是Bucket,下半部分是key,而arKey“恰好”是Bucket的最后一个元素,于是就可以使用arKey来访问key了。这种手法在内存管理例程中最为常见,当分配内存时,实际上是分配了比指定大小要大的内存,多出的上半部分通常被称为cookie,它存储了这块内存的信息,比如块大小、上一块指针、下一块指针等,baidu的Transmit程序就使用了这种方法。
不用指针管理key,是为了减少一次emalloc操作,同时也可以提高Cache命中率。另一个必需的理由是,key绝大部分情况下是固定不变的,不会因为key变长了而导致重新分配整个Bucket。这同时也解释了为什么不把value也一起作为数组分配了——因为value是可变的。
1.2.2 PHP数组
关于HashTable还有一个疑问没有回答,就是nNextFreeElement是干什么的。
不同于一般的散列,Zend的HashTable允许用户直接指定hash值,而忽略key,甚至可以不指定key(此时,nKeyLength为0)。同时,HashTable也支持append操作,用户连hash值也不用指定,只需要提供value,此时,Zend就用nNextFreeElement作为hash,之后将nNextFreeElement递增。
HashTable的这种行为看起来很奇怪,因为这将无法按key访问value,已经完全不是个散列了。理解问题的关键在于,PHP数组就是使用HashTable实现的——关联数组使用正常的k-v映射将元素加入HashTable,其key为用户指定的字符串;非关联数组则直接使用数组下标作为hash值,不存在key;而当在一个数组中混合使用关联和非关联时,或者使用array_push操作时,就需要用nNextFreeElement了。
再来看value,PHP数组的value直接使用了zval这个通用结构,pData指向的是zval*,按照上一节的介绍,这个zval*将直接存储在pDataPtr里。由于直接使用了zval,数组的元素可以是任意PHP类型。
数组的遍历操作,即foreach、each等,是通过HashTable的双向链表来进行的,pInternalPointer作为游标记录了当前位置。

1.2.3 变量符号表
除了数组,HashTable还被用来存储许多其他数据,比如,PHP函数、变量符号、加载的模块、类成员等。
一个变量符号表就相当于一个关联数组,其key是变量名(可见,使用很长的变量名并不是个好主意),value是zval*。
在任一时刻PHP代码都可以看见两个变量符号表——symbol_table和active_symbol_table——前者用于存储全局变量,称为全局符号表;后者是个指针,指向当前活动的变量符号表,通常情况下就是全局符号表。但是,当每次进入一个PHP函数时(此处指的是用户使用PHP代码创建的函数),Zend都会创建函数局部的变量符号表,并将active_symbol_table指向局部符号表。Zend总是使用active_symbol_table来访问变量,这样就实现了局部变量的作用域控制。
但如果在函数局部访问标记为global的变量,Zend会进行特殊处理——在active_symbol_table中创建symbol_table中同名变量的引用,如果symbol_table中没有同名变量则会先创建。

1.3 内存和文件
程序拥有的资源一般包括内存和文件,对于通常的程序,这些资源是面向进程的,当进程结束后,操作系统或C库会自动回收那些我们没有显式释放的资源。
但是,PHP程序有其特殊性,它是基于页面的,一个页面运行时同样也会申请内存或文件这样的资源,然而当页面运行结束后,操作系统或C库也许不会知道需要进行资源回收。比如,我们将php作为模块编译到apache里,并且以prefork或worker模式运行apache。这种情况下apache进程或线程是复用的,php页面分配的内存将永驻内存直到出core。
为了解决这种问题,Zend提供了一套内存分配API,它们的作用和C中相应函数一样,不同的是这些函数从Zend自己的内存池中分配内存,并且它们可以实现基于页面的自动回收。在我们的模块中,为页面分配的内存应该使用这些API,而不是C例程,否则Zend会在页面结束时尝试efree掉我们的内存,其结果通常就是crush。
emalloc()
efree()
estrdup()
estrndup()
ecalloc()
erealloc()
另外,Zend还提供了一组形如VCWD_xxx的宏用于替代C库和操作系统相应的文件API,这些宏能够支持PHP的虚拟工作目录,在模块代码中应该总是使用它们。宏的具体定义参见PHP源代码”TSRM/tsrm_virtual_cwd.h”。可能你会注意到,所有那些宏中并没有提供close操作,这是因为close的对象是已打开的资源,不涉及到文件路径,因此可以直接使用C或操作系统例程;同理,read/write之类的操作也是直接使用C或操作系统的例程。

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