深入理解PHP之數組(遍歷順序)

• 作者: Laruence
• 本文地址: http://www.laruence.com/2009/08/23/1065.html
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經常會有人問我, PHP的數組, 如果用foreach來訪問, 遍歷的順序是固定的么? 以什么順序遍歷呢?
比如:

1. <?php
2. $arr[‘laruence’] = ‘huixinchen’;
3. $arr[‘yahoo’] = 2007;
4. $arr[‘baidu’] = 2008;
5. foreach ($arr as $key => $val) {
6. //結果是什么?
7. }

又比如:

1. <?php
2. $arr[2] = ‘huixinchen’;
3. $arr[1] = 2007;
4. $arr[0] = 2008;
5. foreach ($arr as $key => $val) {
6. //現在結果又是什么?
7. }

要完全了解清楚這個問題, 我想首先應該要大家了解PHP數組的內部實現結構………

PHP的數組

在PHP中, 數組是用一種HASH結構(HashTable)來實現的, PHP使用了一些機制, 使得可以在O(1)的時間復雜度下實現數組的增刪, 並同時支持線性遍歷和隨機訪問.

之前的文章中也討論過, PHP的HASH算法, 基於此, 我們做進一步的延伸.

認識HashTable之前, 首先讓我們看看HashTable的結構定義, 我加了注釋方便大家理解:

1. typedef struct _hashtable {
2. uint nTableSize; /* 散列表大小, Hash值的區間 */
3. uint nTableMask; /* 等於nTableSize -1, 用於快速定位 */
4. uint nNumOfElements; /* HashTable中實際元素的個數 */
5. ulong nNextFreeElement; /* 下個空閑可用位置的數字索引 */
6. Bucket *pInternalPointer; /* 內部位置指針, 會被reset, current這些遍歷函數使用 */
7. Bucket *pListHead; /* 頭元素, 用於線性遍歷 */
8. Bucket *pListTail; /* 尾元素, 用於線性遍歷 */
9. Bucket **arBuckets; /* 實際的存儲容器 */
10. dtor_func_t pDestructor;/* 元素的析構函數(指針) */
11. zend_bool persistent;
12. unsigned char nApplyCount; /* 循環遍歷保護 */
13. zend_bool bApplyProtection;
14. #if ZEND_DEBUG
15. int inconsistent;
16. #endif
17. } HashTable;

關於nApplyCount的意義, 我們可以通過一個例子來了解:

1. <?php
2.     $arr = array(1,2,3,4,5,);
3.     $arr[] = &$arr;
5.     var_export($arr); //Fatal error: Nesting level too deep – recursive dependency?

這個字段就是為了防治循環引用導致的無限循環而設立的.

查看上面的結構, 可以看出, 對於HashTable, 關鍵元素就是arBuckets了, 這個是實際存儲的容器, 讓我們來看看它的結構定義:

1. typedef struct bucket {
2. ulong h; /* 數字索引/hash值 */
3. uint nKeyLength; /* 字符索引的長度 */
4. void *pData; /* 數據 */
5. void *pDataPtr; /* 數據指針 */
6. struct bucket *pListNext; /* 下一個元素, 用於線性遍歷 */
7. struct bucket *pListLast; /* 上一個元素, 用於線性遍歷 */
8. struct bucket *pNext; /* 處於同一個拉鏈中的下一個元素 */
9. struct bucket *pLast; /* 處於同一拉鏈中的上一個元素 */
10. char arKey[1]; /* 節省內存,方便初始化的技巧 */
11. } Bucket;

我們注意到, 最后一個元素, 這個是flexible array技巧, 可以節省內存,和方便初始化的一種做法, 有興趣的朋友可以google flexible array.

h是元素的Hash值,對於數字索引的元素,h為直接索引值(通過nKeyLength=0來表示是數字索引).而對於字符串索引來說, 索引值保存在arKey中, 索引的長度保存在nKeyLength中.

在Bucket中，實際的數據是保存在pData指針指向的內存塊中，通常這個內存塊是系統另外分配的。但有一種情況例外，就是當Bucket保存 的數據是一個指針時，HashTable將不會另外請求系統分配空間來保存這個指針，而是直接將該指針保存到pDataPtr中，然后再將pData指向本結構成員的地址。這樣可以提高效率，減少內存碎片。由此我們可以看到PHP HashTable設計的精妙之處。如果Bucket中的數據不是一個指針，pDataPtr為NULL(本段來自Altair<[e-mail]>的”Zend HashTable詳解”)

結合上面的HashTable結構, 我們來說明下HashTable的總結構圖:

 

HashTable結構示意圖

HashTable的pListhHead指向線性列表形式下的第一個元素, 上圖中是元素1, pListTail指向的是最后一個元素0, 而對於每一個元素pListNext就是紅色線條畫出的線性結構的下一個元素, 而pListLast是上一個元素.

pInternalPointer指向當前的內部指針的位置, 在對數組進行順序遍歷的時候, 這個指針指明了當前的元素.

當在線性(順序)遍歷的時候, 就會從pListHead開始, 順着Bucket中的pListNext/pListLast, 根據移動pInternalPointer, 來實現對所有元素的線性遍歷.

比如, 對於foreach, 如果我們查看它生成的opcode序列, 我們可以發現, 在foreach之前, 會首先有個FE_RESET來重置數組的內部指針, 也就是pInternalPointer(關於foreach可以參看深入理解PHP原理之foreach), 然后通過每次FE_FETCH來遞增pInternalPointer,從而實現順序遍歷.

類似的, 當我們使用, each/next系列函數來遍歷的時候, 也是通過移動數組的內部指針而實現了順序遍歷, 這里有一個問題, 比如:

1. <?php
2. $arr = array(1,2,3,4,5);
3. foreach ($arr as $v) {
4. //可以獲取
5. }
7. while (list($key, $v) = each($arr)) {
8. //獲取不到
9. }
10. ?>

了解到我剛才介紹的知識, 那么這個問題也就很明朗了, 因為foreach會自動reset, 而while這塊不會reset, 所以在foreach結束以后, pInternalPointer指向數組最末端, while語句塊當然訪問不到了, 解決的辦法就是在each之前, 先reset數組的內部指針.

而在隨機訪問的時候, 就會通過hash值確定在hash數組中的頭指針位置, 然后通過pNext/pLast來找到特點元素.

增加元素的時候, 元素會插在相同Hash元素鏈的頭部和線性列表的尾部. 也就是說, 元素在線性遍歷的時候是根據插入的先后順序來遍歷的, 這個特殊的設計使得在PHP中,當使用數字索引時, 元素的先后順序是由添加的順序決定的,而不是索引順序.

也就是說, PHP中遍歷數組的順序, 是和元素的添加先后相關的, 那么, 現在我們就很清楚的知道, 文章開頭的問題的輸出是:

1. huixinchen
2. 2007
3. 2008

所以, 如果你想在數字索引的數組中按照索引大小遍歷, 那么你就應該使用for, 而不是foreach

1. for($i=0,$l=count($arr); $i<$l; $i++) {
2.  //這個時候,不能認為是順序遍歷(線性遍歷)
3. }