上一節(PHP內核探索之變量（3）- hash table),我們已經知道，數組在PHP的底層實際上是HashTable（鏈接法解決沖突），本文將對最常用的函數系列-數組操作的相關函數做進一步的跟蹤。
本文主要內容：
- PHP中提供的數組操作函數
- 數組操作函數的實現
- 結語參考文獻
一、PHP中提供的數組操作函數
可以說，數組是PHP中使用最廣泛的數據結構之一，正因如此，PHP為開發者提供了豐富的數組操作函數（參見http://cn2.php.net/manual/en/ref.array.php ）， 大約有80個，這對於絕大多數的數組操作而言，已經足夠了。如果按照數組操作的類別來分，這些函數大致可以分為如下幾類（不完全分類）：
- 數組遍歷相關函數：如prev, next, current, end,reset, each等
- 數組排序相關：如sort, rsort, asort, arsort, ksort, krsort, uasort, uksort
- 數組查找相關: 如in_array, array_search, array_key_exists等
- 數組分割、合並相關： array_slice, array_splice, implode, array_chunk, array_combine等
- 數組交並差：如array_merge, array_diff, array_diff_*, array_intersect, array_intersect_*
- 作為stack/queue容器的數組： 如array_push, array_pop, array_shift
- 其他的數組操作：array_fill, array_flip, array_sum, array_reverse等
PHP中，數組相關的操作有如下特點：
- 數組操作函數是通過擴展的形式(ext/standard/array.c)提供的,因此也會經歷擴展的MINIT, RINIT, RSHUTDOWN, MSHUTDOWN等過程。
- 在底層，定義PHP函數的方式是PHP_FUNCTION(function_name)，例如數組操作函數array_merge在底層是PHP_FUNCTION(array_merge)
- 由於數組的底層實現是HashTable，因而數組的絕大多數操作實際上都是針對HashTable的操作，這是通過HashTable API實現的。
接下來，我們以幾個具體的函數為例，深入探索PHP中數組函數的實現。
二、數組操作的實現
由於數組的操作實際上是對HashTable的相關操作，因而，我們再次貼出HashTable的結構和結構圖，以便參考。
HashTable的結構：
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;
對應的結構圖：
接下來，我們以幾個數組操作函數為例，來查看具體的操作實現。
1. 數組定義和初始化
在高級語言中，一條簡單的語句往往需要在底層中經過很多的操作步驟才能實現，對於數組的操作亦是如此，例如：$arr = array(1, 2, 3);這樣的賦值語句，實際上會經歷數組初始化(array_init)、添加數組元素(ADD_ARRAY_ELEMENT)、賦值這些步驟才會實現。
（1）數組的初始化
這是通過array_init來實現的,實際上是調用_array_init來完成數組的初始化：
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即為我們要初始化的數組，第一句ALLOC_HASHTABLE_REL(Z_ARRVAL_P(arg));宏展開后，實際上是：
(*arg).value.ht = (HashTable *) emalloc_rel(sizeof(HashTable));
之后則通過_zend_hash_init函數實現初始化HashTable,並把arg的zval類型設置為IS_ARRAY:
Z_TYPE_P(arg) = IS_ARRAY;
（2） zend_hash_init 上一節已經介紹過，這里不再贅述
2. 數組遍歷 prev, next和current
在PHP中，我們可以使用prev, next，current等完成對數組的訪問，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: ", $prev.PHP_EOL;
我們知道，HashTable結構體中，有一個成員pInternalPointer, 這個成員便是控制數組的訪問指針的。以prev函數為例，對HashTable的遍歷實現如下：
（1）將訪問指針移動一步
這是通過zend_hash_move_backwards(array);來實現的，具體來說，先找到數組的當前位置或指針:
HashPosition *current = pos ? pos : &ht->pInternalPointer
然后訪問這個指針的pListLast找到上一個元素：
*current = (*current)->pListLast;
移動指針的過程如下(可以看出，在不傳遞pos參數時，實際上移動的是ht-> pInternalPointer這個指針)：
ZEND_API int zend_hash_move_backwards_ex(HashTable *ht, HashPosition *pos)
{
HashPosition *current = pos ? pos : &ht->pInternalPointer;
IS_CONSISTENT(ht);
if (*current) {
*current = (*current)->pListLast;
return SUCCESS;
} else
return FAILURE;
}
（2）如果需要返回值，由於訪問指針已經移動到了適當的位置，則直接獲取當前指針指向的元素：
if (return_value_used) {
if (zend_hash_get_current_data(array, (void **) &entry) == FAILURE) {
RETURN_FALSE;
}
RETURN_ZVAL(*entry, 1, 0);
}
獲取當前指針指向的元素是通過zend_hash_get_current_data來實現的：
#define zend_hash_get_current_data(ht, pData) \
zend_hash_get_current_data_ex(ht, pData, NULL)
ZEND_API int zend_hash_get_current_data_ex(HashTable *ht, void **pData, HashPosition *pos)
{
Bucket *p;
/* 獲取當前指針 */
p = pos ? (*pos) : ht->pInternalPointer;
IS_CONSISTENT(ht);
if (p) {
*pData = p->pData;
return SUCCESS;
} else {
return FAILURE;
}
}
知道了prev函數的原理，我們不難想象next, current, reset等函數的實現機制。
prev函數的源碼：
PHP_FUNCTION(prev)
{
HashTable *array;
zval **entry;
if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS() TSRMLS_CC, "H", &array) == FAILURE) {
return;
}
zend_hash_move_backwards(array);
if (return_value_used) {
if (zend_hash_get_current_data(array, (void **) &entry) == FAILURE) {
RETURN_FALSE;
}
RETURN_ZVAL(*entry, 1, 0);
}
}
3. 數組排序 asort，arsort,ksort等
php中提供了大量的函數用於數組的排序，如用於普通排序的sort函數，用於逆序排序的rsort函數，用於按照鍵名排序的函數ksort和krsort, 用於自定義比較函數的usort和uksort等，可以說非常豐富。我們以sort函數的實現為例，探索PHP中排序算法的實現。
sort函數的簽名為：
bool sort ( array &$array [, int $sort_flags = SORT_REGULAR ] )
其中sort_flags會影響排序的結果，該值可以是：SORT_REGULAR，SORT_NUMERIC，SORT_STRING，SORT_LOCALE_STRING，SORT_NATURAL等
（ http://cn2.php.net/manual/zh/function.sort.php ）
sort函數的實現過程如下：
（1）由於sort_flags會影響比較函數的行為，因此首先需要根據sort_type確定用於元素比較的函數（自然排序，整數排序，還是字符串排序，區分大小寫還是不區分）。這是通過php_set_compare_func來實現的：
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;//默認使用compare_function
break;
}
}
switch (sort_type & ~PHP_SORT_FLAG_CASE)這是什么意思呢？首先，PHP針對排序設置的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函數的第二個參數可以設置為SORT_NATURAL | SORT_FLAG_CASE或者SORT_STRING | SORT_FLAG_CASE. 因此sort_type & ~PHP_SORT_FLAG_CASE的含義為：排除PHP_SORT_FLAG_CASE標志之后的值，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，還需要通過sort_type & PHP_SORT_FLAG_CASE來判斷是否是不區分大小寫的排序（即是否使用了SORT_FLAG_CASE標志）。
(2) 設置完sort_type之后，調用zend_hash_sort完成實際的排序：
zend_hash_sort(Z_ARRVAL_P(array), zend_qsort, php_array_data_compare, 1 TSRMLS_CC);
zend_hash_sort的函數簽名是：
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的指針
- Sort_func_t sort_func 用於排序的函數，因此，實際上是調用zend_qsort來完成排序。
- Compare_func_t compar: 用於排序的比較函數，前一步驟已經設置。
我們首先跟蹤zend_hash_sort的基本過程，而后再追蹤zend_qsort的具體實現。
由於數組排序並不會改變數組中的元素，而只是改變了數組中元素的位置，因而，對底層而言，實際上只是對全局的雙鏈表進行排序，這顯然需要n個額外的空間（n是數組元素個數）：
arTmp = (Bucket **) pemalloc(ht->nNumOfElements * sizeof(Bucket *), ht->persistent);
然后遍歷雙鏈表，將雙鏈表的每個節點存儲到臨時空間（c數組，每個元素是個bucket *）中：
p = ht->pListHead;
i = 0;
while (p) {
arTmp[i] = p;
p = p->pListNext;
i++;
}
現在，可以調用排序函數對數組進行排序了：
(*sort_func)((void *) arTmp, i, sizeof(Bucket *), compar TSRMLS_CC);
實際上是：
zend_qsort((void *) arTmp, i, sizeof(Bucket *), compar TSRMLS_CC);
排序之后，雙鏈表中節點的位置發生了變化，因而需要調整指針的指向。首先調整pListHead，並設置pListTail為NULL:
ht->pListHead = arTmp[0]; ht->pListTail = NULL;
然后遍歷數組，分別設置每一個節點的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;
}
最后設置HashTable的pListTail：
ht->pListTail = arTmp[i-1];
排序過程如下所示：
排序之后，調整指針走向之后的HashTable：
現在，已經知道zend_hash_sort的基本過程了，我們接着跟蹤一下zend_qsort的實現(函數位於Zend/zend_qsort.c)，該函數的簽名為：
ZEND_API void zend_qsort(void *base, size_t nmemb, size_t siz, compare_func_t compare TSRMLS_DC);
這實際上是Zend實現的快速排序算法，主要包括兩個部分：
1. _zend_qsort_swap(void *a, void *b, size_t siz) 用於交換任意類型的兩個值，與我們經常使用的swap(int *a ,int *b), 或者swap(char *a, char *b), _zend_qsort_swap有更好的通用性，因而它的實現也略微復雜， 具體交換過程為：
(1) . 以sizeof(int)為步長, 交換指針指向的值:
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; }
這個循環執行完畢后，有兩種可能的情況：一種是siz剛好是sizeof(int)的整倍數,那么交換就已經完成了，因為指針a和指針b指向的內存空間的值已經完全得到了交換。另一種情況是, siz並不是sizeof(int)的整倍數,那么實際上上述交換步驟多交換了一些字節的值(例如對於sizeof(int)=4的情況，可能多交換了1,2,3個字節的內存的值)，那么對於這多交換出來的一部分，還需要交換回去。怎么做呢？
(2). 使用char指針一個一個字節的交換：
tmp_a_char = (char *) tmp_a_int;
tmp_b_char = (char *) tmp_b_int;
for (i = i - sizeof(int) + 1; i <= siz; ++i) {//i控制交換次數
t_c = *tmp_a_char;
*tmp_a_char++ = *tmp_b_char;
*tmp_b_char++ = t_c;
}
這樣就完成了交換。
2. zend_qsort(void *base, size_t nmemb, size_t siz, compare_func_t compare TSRMLS_DC). 快速排序算法，與常見的快速排序算法不同，這是非遞歸版本的快速排序。算法的基本思想是：使用QSORT_STACK_SIZE大小的棧（實際上是數組，不過每次都取數組的末尾元素，當做棧使用）存儲快排的開始索引和結束索引(指針）,從而將遞歸的快排過程轉換為非遞歸的。
綜上,我們可以得出PHP排序函數的一般特點：
a. 需要額外的空間，空間復雜度是O(n), 因而應該盡量避免對很大的數組排序.
b. 底層使用快速排序，平均時間復雜度是O（n*lgn）
zend_qsort的 實現代碼（有興趣的童鞋可以研究一下實現細節）：
ZEND_API void zend_qsort(void *base, size_t nmemb, size_t siz, compare_func_t compare TSRMLS_DC)
{
/* 存儲開始和結束指針的棧 */
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的過程 */
while (begin < end) {
offset = (end - begin) >> 1;
_zend_qsort_swap(begin, begin + (offset - (offset % siz)), siz);
seg1 = begin + siz;
seg2 = end;
while (1) {
/* 從左向右找 */
for (; seg1 < seg2 && compare(begin, seg1 TSRMLS_CC) > 0;
seg1 += siz);
/* 從右向左找 */
for (; seg2 >= seg1 && compare(seg2, begin TSRMLS_CC) > 0;
seg2 -= siz);
if (seg1 >= seg2)
break;
/* 交換seg1和seg2指向的值 */
_zend_qsort_swap(seg1, seg2, siz);
/* 指針移動，每次都是siz步長 */
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. 數組合並 array_merge
array_merge用於合並兩個或者多個數組（實際上，array_merge可以僅傳入一個數組參數如array_merge($a) ）例如:
$a = array('index' => "a",1 =>'a');
$b = array('index' => "b",1 =>'b');
print_r(array_merge($a, $b));
結果是：
Array ( [index] => b [0] => a [1] => b )
那么，對於array_merge, PHP底層是如何處理字符串索引和數字索引的呢？
PHP_FUNCTION(array_merge)
{
php_array_merge_or_replace_wrapper(INTERNAL_FUNCTION_PARAM_PASSTHRU, 0, 0);
}
因此，實際上是通過php_array_merge_or_replace_wrapper來完成的，繼續查看php_array_merge_or_replace_wrapper的實現:
static void php_array_merge_or_replace_wrapper(INTERNAL_FUNCTION_PARAMETERS, int recursive, int replace);
注意傳入的參數,recursive=0, replace=0 ( 不遞歸merge,數字索引不替換 ) ，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的基本過程是：
(1) 確定初始化數組的大小（使用元素最多的數組的大小作為結果數組的初始大小），初始化數組：
for (i = 0; i < argc; i++) {
/* 不是數組 */
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]));
/* 使用元素最多的數組的大小作為init_size的大小 */
if (num > init_size) {
init_size = num;
}
}
}
array_init_size(return_value, init_size);
return_value是個zval *, 它指向返回值的zval
(2) 對array_merge參數中的每個數組，依次執行php_array_merge(由於replace=0和recursive=0)， 我們只看第一個分支：
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用於創建一個與原始數據相同的zval，避免在操作的過程中修改參數的值（參數是非引用傳遞的情況下）。而真正的merge過程是通過php_array_merge來實現的。
(3) merge的過程
由於PHP數組中包含字符串索引和數字索引，對於這兩類不同的索引，merge的處理是不同的（replace=0, recursive=0，只看對應的分支）：
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;
}
上述代碼表明：對於字符串索引，PHP在執行array_merge的時候，會更新字符串索引的值，其結果就是參數靠后數組的值會覆蓋靠前的數組的值。而對於數字型索引，PHP執行的zend_hash_next_index_insert操作，也就是插入一個新的元素，這同時也更改了鍵（例如原來的key=2, array_merge之后，可能變成了0）。這也解釋了最開始array_merge腳本的輸出：
$a = array('index' => "a",1 =>'a');
$b = array('index' => "b",1 =>'b');
print_r(array_merge($a, $b));
更多的數組操作函數我們不再一一介紹，只要知道了HashTable的結構，要理解這些實現，並不困難。
由於寫作匆忙，本文難免會有錯誤之處，敬請批評指正。
ps: 近期正在補習C語言/操作系統的相關基礎，尤其是指針/內存管理這一塊，有一起的同學，歡迎交流。