Arthur's Blog

在PHP的Zend引擎中，有一个数据结构非常重要，它无处不在，是PHP数据存储的核心，各种常量、变量、函数、类、对象等都用它来组织，这个数据结构就是HashTable。

HashTable在通常的数据结构教材中也称作散列表，哈希表。其基本原理比较简单（如果你对其不熟悉，请查阅随便一本数据结构教材或在网上搜索），但PHP的实现有其独特的地方。理解了HashTable的数据存储结构，对我们分析PHP的源代码，特别是Zend Engine中的虚拟机的实现时，有很重要的帮助。它可以帮助我们在大脑中模拟一个完整的虚拟机的形象。它也是PHP中其它一些数据结构如数组实现的基础。

Zend HashTable的实现结合了双向链表和向量（数组）两种数据结构的优点，为PHP提供了非常高效的数据存储和查询机制。

Let’s begin!

HashTable的数据结构

在Zend Engine中的HashTable的实现代码主要包括zend_hash.h, zend_hash.c这两个文件中。Zend HashTable包括两个主要的数据结构，其一是Bucket（桶）结构，另一个是HashTable结构。Bucket结构是用于保存数据的容器，而 HashTable结构则提供了对所有这些Bucket（或桶列）进行管理的机制。

在Zend HashTable中，每个数据元素(Bucket)有一个键名(key)，它在整个HashTable中是唯一的，不能重复。根据键名可以唯一确定 HashTable中的数据元素。键名有两种表示方式。第一种方式使用字符串arKey作为键名，该字符串的长度为nKeyLength。注意到在上面的数据结构中arKey虽然只是一个长度为1的字符数组，但它并不意味着key只能是一个字符。实际上Bucket是一个可变长的结构体，由于arKey是 Bucket的最后一个成员变量，通过arKey与nKeyLength结合可确定一个长度为nKeyLength的key。这是C语言编程中的一个比较 常用的技巧。另一种键名的表示方式是索引方式，这时nKeyLength总是0，长整型字段h就表示该数据元素的键名。简单的来说，即如果 nKeyLength=0，则键名为h；否则键名为arKey, 键名的长度为nKeyLength。

当nKeyLength > 0时，并不表示这时的h值就没有意义。事实上，此时它保存的是arKey对应的hash值。不管hash函数怎么设计，冲突都是不可避免的，也就是说不同 的arKey可能有相同的hash值。具有相同hash值的Bucket保存在HashTable的arBuckets数组(参考下面的解释)的同一个索 引对应的桶列中。这个桶列是一个双向链表，其前向元素，后向元素分别用pLast, pNext来表示。新插入的Bucket放在该桶列的最前面。

在Bucket中，实际的数据是保存在pData指针指向的内存块中，通常这个内存块是系统另外分配的。但有一种情况例外，就是当Bucket保存的数据是一个指针时，HashTable将不会另外请求系统分配空间来保存这个指针，而是直接将该指针保存到pDataPtr中，然后再将pData指向 本结构成员的地址。这样可以提高效率，减少内存碎片。由此我们可以看到PHP HashTable设计的精妙之处。如果Bucket中的数据不是一个指针，pDataPtr为NULL。

HashTable中所有的Bucket通过pListNext, pListLast构成了一个双向链表。最新插入的Bucket放在这个双向链表的最后。

注意在一般情况下，Bucket并不能提供它所存储的数据大小的信息。所以在PHP的实现中，Bucket中保存的数据必须具有管理自身大小的能力。

在HashTable结构中，nTableSize指定了HashTable的大小，同时它限定了HashTable中能保存Bucket的最大数量，此 数越大，系统为HashTable分配的内存就越多。为了提高计算效率，系统自动会将nTableSize调整到最小一个不小于nTableSize的2 的整数次方。也就是说，如果在初始化HashTable时指定一个nTableSize不是2的整数次方，系统将会自动调整nTableSize的值。即

nTableSize = 2ceil(log(nTableSize, 2)) 或 nTableSize = pow(ceil(log(nTableSize,2)))

例如，如果在初始化HashTable的时候指定nTableSize = 11，HashTable初始化程序会自动将nTableSize增大到16。

arBuckets是HashTable的关键，HashTable初始化程序会自动申请一块内存，并将其地址赋值给arBuckets，该内存大 小正好能容纳nTableSize个指针。我们可以将arBuckets看作一个大小为nTableSize的数组，每个数组元素都是一个指针，用于指向 实际存放数据的Bucket。当然刚开始时每个指针均为NULL。

nTableMask的值永远是nTableSize – 1，引入这个字段的主要目的是为了提高计算效率，是为了快速计算Bucket键名在arBuckets数组中的索引。

nNumberOfElements记录了HashTable当前保存的数据元素的个数。当nNumberOfElement大于nTableSize时，HashTable将自动扩展为原来的两倍大小。

nNextFreeElement记录HashTable中下一个可用于插入数据元素的arBuckets的索引。

pListHead, pListTail则分别表示Bucket双向链表的第一个和最后一个元素，这些数据元素通常是根据插入的顺序排列的。也可以通过各种排序函数对其进行重 新排列。pInternalPointer则用于在遍历HashTable时记录当前遍历的位置，它是一个指针，指向当前遍历到的Bucket，初始值是 pListHead。

pDestructor是一个函数指针，在HashTable的增加、修改、删除Bucket时自动调用，用于处理相关数据的清理工作。

persistent标志位指出了Bucket内存分配的方式。如果persisient为TRUE，则使用操作系统本身的内存分配函数为Bucket分配内存，否则使用PHP的内存分配函数。具体请参考PHP的内存管理。

nApplyCount与bApplyProtection结合提供了一个防止在遍历HashTable时进入递归循环时的一种机制。

inconsistent成员用于调试目的，只在PHP编译成调试版本时有效。表示HashTable的状态，状态有四种：

状态值的含义：

• HT_IS_DESTROYING 正在删除所有的内容，包括arBuckets本身
• HT_IS_DESTROYED 已删除，包括arBuckets本身
• HT_CLEANING 正在清除所有的arBuckets指向的内容，但不包括arBuckets本身
• HT_OK 正常状态，各种数据完全一致

现在来看zend_hash_key结构就比较容易理解了。它通过arKey, nKeyLength, h三个字段唯一确定了HashTable中的一个元素。

根据上面对HashTable相关数据结构的解释，我们可以画出HashTable的内存结构图：

Zend HashTable的实现

本节具体介绍一下PHP中HashTable的实现。以下函数均取自于zend_hash.c。只要充分理解了上述数据结构，HashTable实现的代码并不难理解。

1.  HashTable初始化

HashTable提供了一个zend_hash_init宏来完成HashTable的初始化操作。实际上它是通过下面的内部函数来实现的：

在以前的版本中，可以使用pHashFunction来指定hash函数。但现PHP已强制使用DJBX33A算法，因此实际上pHashFunction这个参数并不会用到，保留在这里只是为了与以前的代码兼容。

2. 增加、插入和修改元素

向HashTable中添加一个新的元素最关键的就是要确定将这个元素插入到arBuckets数组中的哪个位置。根据上面对Bucket结构键名 的解释，我们可以知道有两种方式向HashTable添加一个新的元素。第一种方法是使用字符串作为键名来插入Bucket；第二种方法是使用索引作为键 名来插入Bucket。第二种方法具体又可以分为两种情况：指定索引或不指定索引，指定索引指的是强制将Bucket插入到指定的索引位置中；不指定索引 则将Bucket插入到nNextFreeElement对应的索引位置中。这几种插入数据的方法实现比较类似，不同的只是定位Bucket的方法。

修改HashTable中的数据的方法与增加数据的方法也很类似。

我们先看第一种使用字符串作为键名增加或修改Bucket的方法：

因为这个函数是使用字符串作为键名来插入数据的，因此它首先检查nKeyLength的值是否大于0，如果不是的话就直接退出。然后计算arKey对应的 hash值h，将其与nTableMask按位与后得到一个无符号整数nIndex。这个nIndex就是将要插入的Bucket在arBuckets数 组中的索引位置。

现在已经有了arBuckets数组的一个索引，我们知道它包括的数据是一个指向Bucket的双向链表的指针。如果这个双向链表不为空的话我们首先检查 这个双向链表中是否已经包含了用字符串arKey指定的键名的Bucket，这样的Bucket如果存在，并且我们要做的操作是插入新Bucket(通过 flag标识)，这时就应该报错 – 因为在HashTable中键名不可以重复。如果存在，并且是修改操作，则使用在HashTable中指定了析构函数pDestructor对原来的 pData指向的数据进行析构操作；然后将用新的数据替换原来的数据即可成功返回修改操作。

如果在HashTable中没有找到键名指定的数据，就将该数据封装到Bucket中，然后插入HashTable。这里要注意的是如下的两个宏：

• CONNECT_TO_BUCKET_DLLIST(p, ht->arBuckets[nIndex])
• CONNECT_TO_GLOBAL_DLLIST(p, ht)

前者是将该Bucket插入到指定索引的Bucket双向链表中，后者是插入到整个HashTable的Bucket双向链表中。两者的插入方式也不同，前者是将该Bucket插入到双向链表的最前面，后者是插入到双向链表的最末端。

下面是第二种插入或修改Bucket的方法，即使用索引的方法：

flag标志指明当前操作是HASH_NEXT_INSERT(不指定索引插入或修改), HASH_ADD(指定索引插入)还是HASH_UPDATE(指定索引修改)。由于这些操作的实现代码基本相同，因此统一合并成了一个函数，再用flag加以区分。

本函数基本与前一个相同，不同的是如果确定插入到arBuckets数组中的索引的方法。如果操作是HASH_NEXT_INSERT，则直接使用nNextFreeElement作为插入的索引。注意nNextFreeElement的值是如何使用和更新的。

3. 访问元素

同样，HashTable用两种方式来访问元素，一种是使用字符串arKey的zend_hash_find()；另一种是使用索引的访问方式zend_hash_index_find()。由于其实现的代码很简单，分析工作就留给读者自已完成。

4.  删除元素

HashTable删除数据均使用zend_hash_del_key_or_index()函数来完成，其代码也较为简单，这里也不再详细分析。需要的是注意如何根据arKey或h来计算出相应的下标，以及两个双向链表的指针的处理。

5. 遍历元素

因为HashTable中所有Bucket都可以通过pListHead指向的双向链表来访问，因此遍历HashTable的实现也比较简单。这里值得一 提的是对当前遍历到的Bucket的处理使用了一个apply_func_t类型的回调函数。根据实际需要，该回调函数返回下面值之一：

• ZEND_HASH_APPLY_KEEP
• ZEND_HASH_APPLY_STOP
• ZEND_HASH_APPLY_REMOVE

它们分别表示继续遍历，停止遍历或删除相应元素后继续遍历。

还有一个要注意的问题就是遍历时的防止递归的问题，也就是防止对同一个HashTable同时进行多次遍历。这是用下面两个宏来实现的：

• HASH_PROTECT_RECURSION(ht)
• HASH_UNPROTECT_RECURSION(ht)

其主要原理是如果遍历保护标志bApplyProtection为真，则每次进入遍历函数时将nApplyCount值加1，退出遍历函数时将nApplyCount值减1。开始遍历之前如果发现nApplyCount > 3就直接报告错误信息并退出遍历。

上面的apply_func_t不带参数。HashTable还提供带一个参数或可变参数的回调方式，对应的遍历函数分别为：

除了上面提供的几种提供外，还有许多其它操作HashTable的API。如排序、HashTable的拷贝与合并等等。只要充分理解了上述HashTable的数据结构，理解这些代码并不困难。