深入理解PHP内核(六)哈希表以及PHP的哈希表实现

原文链接:http://www.orlion.ga/241/

一、哈希表(HashTable)

    大部分动态语言的实现中都使用了哈希表，哈希表是一种通过哈希函数，将特定的键映射到特定值得一种数据

结构，它维护键和值之间一一对应关系。

键(key):用于操作数据的标示，例如PHP数组中的索引或者字符串键等等。

槽(slot/bucket):哈希表中用于保存数据的一个单元，也就是数组真正存放的容器。

哈希函数(hash function):将key映射(map)到数据应该存放的slot所在位置的函数。

哈希冲突(hash collision):哈希函数将两个不同的key映射到同一个索引的情况。

    目前解决hash冲突的方法有两种：链接法和开放寻址法。

1、冲突解决

    (1)链接法

    链接法通过使用一个链表来保存slot值的方式来解决冲突，也就是当不同的key映射到一个槽中的时候使用链表

来保存这些值。（PHP中正是使用了这种方式）；

    (2)开放寻址法

    使用开放寻址法是槽本身直接存放数据，在插入数据时如果key所映射到的索引已经有数据了，这说明有冲突，

这时会寻找下一个槽，如果该槽也被占用了则继续寻找下一个槽，直到找到没有被占用的槽，在查找时也是这样

2、哈希表的实现

    哈希表的实现主要完成的工作只有三点:

    * 实现哈希函数

    * 冲突的解决

    * 操作接口的实现

（1）数据结构

    首先需要一个容器来曹村我们的哈希表，哈希表需要保存的内容主要是保存进来的数据，同时为了方便的得知哈希表中存储的元素个数，需要保存一个大小字段，第二个需要的就是保存数据的容器。下面将实现一个简易的哈希表，基本的数据结构主要有两个，一个用于保存哈希表本身，另外一个就是用于实际保存数据的单链表了，定义如下：

typedef struct _Bucket
{
    char *key;
    void *value;
    struct _Bucket *next;
 
} Bucket;
 
typedef struct _HashTable
{
    int size;
    Bucket* buckets;
} HashTable;

上边的定义与PHP中的实现相似，为了简化key的数据类型为字符串，而存储的结构可以为任意类型。

Bucket结构体是一个单链表，这是为了解决哈希冲突。当多个key映射到同一个index的时候将冲突的元素链接起来

（2）哈希函数实现

我们采用一种最简单的哈希算法实现：将key字符串的所有字符加起来，然后以结果对哈希表的大小取模，这样索引就能落在数组索引的范围之内了。

static int hash_str(char *key)
{
    int hash = 0;
 
    char *cur = key;
 
    while(*(cur++) != '') {
        hash += *cur;
    }
 
    return hash;
}
 
// —使用这个宏来求得key在哈希表中的索引
#define HASH_INDEX(ht, key) (hash_str((key)) % (ht)->size)

PHP使用的哈希算法称为DJBX33A。为了操作哈希表定义了如下几个操作函数：

int hash_init(HashTable *ht);                               // 初始化哈希表
int hash_lookup(HashTable *ht, char *key, void **result);   // 根据key查找内容
int hash_insert(HashTable *ht, char *key, void *value);     // 将内容插哈希表中
int hash_remove(HashTable *ht, char *key);                  // 删除key所指向的内容
int hash_destroy(HashTable *ht);

下面以插入和获取操作函数为例：

int hash_insert(HashTable *ht, char *key, void *value)
{
    // check if we need to resize the hashtable
    resize_hash_table_if_needed(ht);    // 哈希表不固定大小，当插入的内容快占满哈希表的存储空间
                                        // 将对哈希表进行扩容，以便容纳所有的元素
    int index = HASH_INDEX(ht, key);    // 找到key所映射到的索引
 
    Bucket *org_bucket = ht->buckets[index];
    Bucket *bucket = (Bucket *)malloc(sizeof(Bucket)); // 为新元素申请空间
 
    bucket->key   = strdup(key);
    // 将值内容保存起来，这里只是简单的将指针指向要存储的内容，而没有将内容复制
    bucket->value = value;  
 
    LOG_MSG("Insert data p: %p
", value);
 
    ht->elem_num += 1; // 记录一下现在哈希表中的元素个数
 
    if(org_bucket != NULL) { // 发生了碰撞，将新元素放置在链表的头部
        LOG_MSG("Index collision found with org hashtable: %p
", org_bucket);
        bucket->next = org_bucket;
    }
 
    ht->buckets[index]= bucket;
 
    LOG_MSG("Element inserted at index %i, now we have: %i elements
",
        index, ht->elem_num);
 
    return SUCCESS;
}

在查找时首先找到元素所在的位置，如果存在元素，则将链表中的所有元素的key和要查找的key依次对比，直到找到一致的元素，否则说明该值没有匹配的内容。

int hash_lookup(HashTable *ht, char *key, void **result)
{
    int index = HASH_INDEX(ht, key);
    Bucket *bucket = ht->buckets[index];
     if(bucket == NULL) return FAILED;
 
    // 查找这个链表以便找到正确的元素，通常这个链表应该是只有一个元素的，也就不同多次循环
    // 要保证这一点需要有一个合适的哈希算法。
    while(bucket)
    {
        if(strcmp(bucket->key, key) == 0)
        {
            LOG_MSG("HashTable found key in index: %i with  key: %s value: 
%p
",
                index, key, bucket->value);
            *result = bucket->value;    
            return SUCCESS;
        }
 
        bucket = bucket->next;
    }
 
    LOG_MSG("HashTable lookup missed the key: %s
", key);
    return FAILED;
}

PHP中的数组是基于哈希表实现的，依次给数组添加元素时，元素之间是有顺序的，而这里的哈希表在物理上显然是接近平均分布的，这样是无法根据插入的先后顺序获取到这些元素的，在PHP的实现中Bucket结构体还维护了另一个指针字段来维护元素之间的关系。

二、PHP的哈希表实现

    1、PHP的哈希实现

    PHP中的哈希表是十分重要的一个数据接口，基本上大部分的语言特征都是基于哈希表的，例如：变量的作用域和变量的存储，类的实现以及Zend引擎内部的数据有很多都是保存在哈希表中的。

    (1)数据结构及说明

    Zend为了保存数据之间的关系使用了双向链表来保存数据

    (2)哈希表结构

    PHP中的哈希表实现在Zend/zend_hash.c中，PHP使用如下两个数据结构来实现哈希表，HashTable结构体用于保存整个哈希表需要的基本信息，而Bucket结构体用于保存具体的数据内容，如下：

typedef struct _hashtable { 
    uint nTableSize;        // hash Bucket的大小，最小为8，以2x增长
    uint nTableMask;        // nTableSize-1,索引取值的优化
    uint nNumOfElements;    // hash Bucket中当前存在的元素个数，count()函数会直接返回此值
    ulong nNextFreeElement; // 下一个数字索引的位置
    Bucket *pInternalPointer;   // 当前遍历的指针(foreach 比for快的原因之一)
    Bucket *pListHead;          // 存储数头元素指针
    Bucket *pListTail;          // 存储数组尾元素指针
    Bucket **arBuckets;         // 存储hash数组
    dtor_func_t pDestructor;
    zend_bool persistent;
    unsigned char nApplyCount; // 标记当前hash Bucket被递归访问的次数(防止多次递归)
    zend_bool bApplyProtection;// 标记当前hash桶允许不允许多次访问，不允许时，最多只能递归3此
#if ZEND_DEBUG
    int inconsistent;
#endif
} HashTable;

    nTableSize字段用于标示哈希表的容量，哈希表的初始化容量最小为8.首先看看哈希表的初始化函数：

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;
    //...
    if (nSize >= 0x80000000) {
        /* prevent overflow */
        ht->nTableSize = 0x80000000;
    } else {
        while ((1U << i) < nSize) {
            i++;
        }
        ht->nTableSize = 1 << i;
    }
    // ...
    ht->nTableMask = ht->nTableSize - 1;
 
    /* 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;
}

    例如如果设置初始大小为10，则上面的算法将会将大小调整为16.也就是始终将大小调整为接近初始大小的2的整数次方

为什么这么调整呢？先看看HashTable将哈希值映射到槽位的方法:

h = zend_inline_hash_func(arKey, nKeyLength);
nIndex = h & ht->nTableMask;

    从上边的_zend_hash_init()函数中可知，ht->nTableMask的大小为ht->nTableSize – 1。这里使用&操作而不是使用取模，这是因为相对来说取模的操作的消耗和按位与的操作大很多。

    设置好了哈希表的大小后就需要为哈希表申请存储空间了，如上边初始化的代码，根据是否需要持久保存而调用了不同的内存申请方法，是需要持久体现的是在前面PHP生命周期里介绍的：持久内容能在多个请求之间可访问，而如果是非持久存储则会在在请求结束时释放占用的空间。具体内容将在内存管理中详解

    HashTable中的nNumOfElements字段很好理解，每插入一个元素或者unset删掉元素时会更新这个字段，这样在进行count()函数统计数组元素个数时就能快速的返回。

    nNextFreeElement字段非常有用，先看一段PHP代码：

<?php
$a = array(10 => 'Hello');
$a[] = 'TIPI';
var_dump($a);
 
// ouput
array(2) {
  [10]=>
  string(5) "Hello"
  [11]=>
  string(5) "TIPI"
}

    PHP中可以不指定索引值向数组中添加元素，这时将默认使用数字作为索引，和C语言中的枚举类似，而这个元素的索引到底是多个就由nNextFreeElement字段决定了。如果数组中存在了数字key，则会默认使用最新使用的key+1，如上例中已经存在了10作为key的元素，这样新插入的默认索引就为11了。

    下面看看保存哈希表数据的槽位数据结构体：

typedef struct bucket {
    ulong h;            // 对char *key进行hash后的值，或者是用户指定的数字索引值
    uint nKeyLength;    // hash关键字的长度，如果数组索引为数字，此值为0
    void *pData;        // 指向value，一般是用户数据的副本，如果是指针数据，则指向pDataPtr
    void *pDataPtr;     // 如果是指针数组，此值会指向真正的value，同时上面pData会指向此值
    struct bucket *pListNext;   // 整个hash表的下一个元素
    struct bucket *pListLast;   // 整个hash表的上一个元素
    struct bucket *pNext;       // 存放在同一个hash Bucket内的下一个元素
    struct bucket *pLast;       // 存放在同一个hash Bucket内的上一个元素
    char arKey[1];  
    /*
    存储字符索引，此项必须放在最末尾，因为此处只定义了1个字节，存储的实际上是指向char *key的值，
    这就意味着可以省去再赋值一次的消耗，而且，有时此值并不需要，所以同时还节省了空间。
    */
} Bucket;

    如上面各字段的注释。h字段保存哈希表key哈希后的值。在PHP中可以使用字符串或者数字作为数组的索引。因为数字的索引是唯一的。如果再进行一次哈希将会极大的浪费。h字段后面的nKeyLength字段是作为key长度的标示，如果索引是数字的话，则nKeyLength为0.在PHP中定义数组时如果字符串可以被转换成数字也会进行转换。所以在PHP中例如'10','11'这类的字符索引和数字索引10,11没有区别

• Bucket结构体维护了两个双向链表，pNext和pLast指针分别指向本槽位所在的链表的关系

• 而pListNext和pListLast指针指向的则是整个哈希表所有的数据之间的链接关系。HashTable结构体中的pListHead和pListTail则维护整个哈希表的头元素指针和最后一个元素的指针

    哈希表的操作接口：

    PHP提供了如下几类操作接口：

• 初始化操作，例如zend_hash_init()函数，用于初始化哈希表接口，分配空间等。

• 查找，插入，删除和更新操作接口，这是比较常规的操作。

• 迭代和循环，这类的接口用于循环对哈希表进行操作。

• 复制，排序，倒置和销毁等操作。