hash结构解析
在Zend Engine中的HashTable的实现代码主要包括zend_hash.h,和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
1 数据结构
typedef struct bucket {
ulong h; /* Used for numeric indexing */
uint nKeyLength; /* key 长度 */
void *pData; /* 指向Bucket中保存的数据的指针 */
void *pDataPtr; /* 指针数据 */
struct bucket *pListNext; /* 指向HashTable桶列中下一个元素 */
struct bucket *pListLast; /* 指向HashTable桶列中前一个元素 */
struct bucket *pNext; /* 指向具有同一个hash值的桶列的后一个元素 */
struct bucket *pLast; /* 指向具有同一个hash值的桶列的前一个元素 */
char arKey[1]; /* 必须是最后一个成员，key名称*/
} Bucket;
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:
- 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。 - 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。
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; // 存储数组头元素指针
Bucket *pListTail; // 存储数组尾元素指针
Bucket **arBuckets; // 存储hash数组
dtor_func_t pDestructor; // 在删除元素时执行的回调函数，用于资源的释放
zend_bool persistent; // 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。
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次
#if ZEND_DEBUG
int inconsistent; // 判断hash是否一致
#endif
} HashTable;
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)) or
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|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|
typedef struct _zend_hash_key {
char *arKey; /* hash元素key名称 */
uint nKeyLength; /* hash 元素key长度 */
ulong h; /* key计算出的hash值或直接指定的数值下标 */
} zend_hash_key;
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.png
具体实现
hash的初始化
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:
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;
Bucket **tmp;
SET_INCONSISTENT(HT_OK);
if (nSize >= 0×80000000) {
/* prevent overflow */
ht->nTableSize = 0×80000000;
} else {
while ((1U << i) < nSize) {
/* 自动调整nTableSize至2的n次方 */
i++;
}
ht->nTableSize = 1 << i; /* i的最小值为3，因此HashTable大小最小为8 */
}
ht->nTableMask = ht->nTableSize - 1;
ht->pDestructor = pDestructor;
ht->arBuckets = NULL;
ht->pListHead = NULL;
ht->pListTail = NULL;
ht->nNumOfElements = 0;
ht->nNextFreeElement = 0;
ht->pInternalPointer = NULL;
ht->persistent = persistent;
ht->nApplyCount = 0;
ht->bApplyProtection = 1;
/* 根据persistent使用不同方式分配arBuckets内存，并将其所有指针初始化为NULL*/
/* 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;
}
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。
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。
- 使用字符串作为键名来插入
Bucket； - 使用索引作为键名来插入
Bucket, 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：
/**
* @desc 往ht里面添加/修改key-value，只服务于关联数组，索引数组另有服务函数
* @param ht : 哈希表
* @param arKey : key
* @param nKeyLength : key的长度
* @param pData : value
* @param nDataSize : value的长度
* @param pDest : value为指针时的值
* @param flag : 标识新增还是修改
*/
ZEND_API int _zend_hash_add_or_update(HashTable *ht, const char *arKey, uint nKeyLength, void *pData, uint nDataSize, void **pDest, int flag ZEND_FILE_LINE_DC)
{
ulong h;
uint nIndex;
Bucket *p;
#ifdef ZEND_SIGNALS
TSRMLS_FETCH();
#endif
IS_CONSISTENT(ht);
// 异常情况，key长度为0
if (nKeyLength <= 0) {
#if ZEND_DEBUG
ZEND_PUTS("zend_hash_update: Can't put in empty key\n");
#endif
return FAILURE;
}
// 添加之前，确保hash表空间已经分配过了
CHECK_INIT(ht);
// 计算当前key的hash值
h = zend_inline_hash_func(arKey, nKeyLength);
nIndex = h & ht->nTableMask;
p = ht->arBuckets[nIndex];
while (p != NULL) {
// hash表中有该节点
// 这地方分了两种情形（为什么分两种情况呢？？？？）
if (p->arKey == arKey ||
((p->h == h) && (p->nKeyLength == nKeyLength) && !memcmp(p->arKey, arKey, nKeyLength))) {
if (flag & HASH_ADD) {
return FAILURE;
}
HANDLE_BLOCK_INTERRUPTIONS();
#if ZEND_DEBUG
if (p->pData == pData) {
ZEND_PUTS("Fatal error in zend_hash_update: p->pData == pData\n");
HANDLE_UNBLOCK_INTERRUPTIONS();
return FAILURE;
}
#endif
// 更新value的时候先将原先的指针内存释放
if (ht->pDestructor) {
ht->pDestructor(p->pData);
}
// UPDATE_DATA不负责释放内存
UPDATE_DATA(ht, p, pData, nDataSize);
if (pDest) {
*pDest = p->pData;
}
HANDLE_UNBLOCK_INTERRUPTIONS();
return SUCCESS;
}
p = p->pNext;
}
// 执行到这里，操作只能是增加一个节点了
// 如果arKey是字符串(???)
// Zend/zend_string.h +37
// #define IS_INTERNED(s) \
// (((s) >= CG(interned_strings_start)) && ((s) < CG(interned_strings_end)))
if (IS_INTERNED(arKey)) {
// 这里没有分配多余的空间
// 也就是value是一个指针
p = (Bucket *) pemalloc(sizeof(Bucket), ht->persistent);
if (!p) {
return FAILURE;
}
p->arKey = arKey;
} else {
p = (Bucket *) pemalloc(sizeof(Bucket) + nKeyLength, ht->persistent);
if (!p) {
return FAILURE;
}
// 注意这里的 p + 1 是跨过整个Bucket结构体空间
// 结构体重的arKey存放的是他之后一个字节的地址
// 而多分配的nKeyLength 存放的是value值
p->arKey = (const char*)(p + 1);
memcpy((char*)p->arKey, arKey, nKeyLength);
}
p->nKeyLength = nKeyLength;
INIT_DATA(ht, p, pData, nDataSize);
p->h = h;
// 链入本桶内的双向链表中
CONNECT_TO_BUCKET_DLLIST(p, ht->arBuckets[nIndex]);
if (pDest) {
*pDest = p->pData;
}
HANDLE_BLOCK_INTERRUPTIONS();
// 链入全局双向链表中
CONNECT_TO_GLOBAL_DLLIST(p, ht);
ht->arBuckets[nIndex] = p;
HANDLE_UNBLOCK_INTERRUPTIONS();
// 没插入完成一个 判断是否需要扩容
ht->nNumOfElements++;
ZEND_HASH_IF_FULL_DO_RESIZE(ht); /* If the Hash table is full, resize it */
return SUCCESS;
}
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：
/**
* @desc 数字索引类型的key-value值添加
* @param ht : 添加的hash表结构
* @param h : key 新增时 h 设置为0 更新时会透传上层的h
* @param pData : value
* @param nDataSize ：value的长度
* @param pDest : 用于指向下一个元素
* @param flag : HASH_NEXT_INSERT or HASH_ADD
*/
ZEND_API int _zend_hash_index_update_or_next_insert(HashTable *ht, ulong h, void *pData, uint nDataSize, void **pDest, int flag ZEND_FILE_LINE_DC)
{
uint nIndex;
Bucket *p;
#ifdef ZEND_SIGNALS
TSRMLS_FETCH();
#endif
IS_CONSISTENT(ht);
CHECK_INIT(ht);
// 如果是HASH_ADD，h为当前保留的最大下标
// 如果是HASH_NEXT_INSERT, 两种情况
// 1、更新已有值，此时(h < nNextFreeElement)，定位到对应的元素，修改即可
// 2、插入一个key-value对，此时 (h >= nNextFreeElement), 那么参考L515行注释
if (flag & HASH_NEXT_INSERT) {
h = ht->nNextFreeElement;
}
nIndex = h & ht->nTableMask;
p = ht->arBuckets[nIndex];
while (p != NULL) {
if ((p->nKeyLength == 0) && (p->h == h)) {
// 找到了要添加的value了，并且flag设置为添加（添加到XX之后或者直接添加）
if (flag & HASH_NEXT_INSERT || flag & HASH_ADD) {
return FAILURE;
}
HANDLE_BLOCK_INTERRUPTIONS();
#if ZEND_DEBUG
if (p->pData == pData) {
ZEND_PUTS("Fatal error in zend_hash_index_update: p->pData == pData\n");
HANDLE_UNBLOCK_INTERRUPTIONS();
return FAILURE;
}
#endif
if (ht->pDestructor) {
ht->pDestructor(p->pData);
}
UPDATE_DATA(ht, p, pData, nDataSize);
HANDLE_UNBLOCK_INTERRUPTIONS();
// 当插入一个key-value对且key>nNextFreeElement时，及时修正nNextFreeElement值
// 以保证下一个元素的下标是当前下标+1
// 这个地方挺有意思的，例如当前已用下标情况是 0, 1, 2, 3, 9
// 那么插入一个下标为8的元素，不更新nNextFreeElement
if ((long)h >= (long)ht->nNextFreeElement) {
ht->nNextFreeElement = h < LONG_MAX ? h + 1 : LONG_MAX;
}
if (pDest) {
*pDest = p->pData;
}
return SUCCESS;
}
p = p->pNext;
}
p = (Bucket *) pemalloc_rel(sizeof(Bucket), ht->persistent);
if (!p) {
return FAILURE;
}
p->arKey = NULL;
p->nKeyLength = 0; /* Numeric indices are marked by making the nKeyLength == 0 */
p->h = h;
INIT_DATA(ht, p, pData, nDataSize);
if (pDest) {
*pDest = p->pData;
}
CONNECT_TO_BUCKET_DLLIST(p, ht->arBuckets[nIndex]);
HANDLE_BLOCK_INTERRUPTIONS();
ht->arBuckets[nIndex] = p;
CONNECT_TO_GLOBAL_DLLIST(p, ht);
HANDLE_UNBLOCK_INTERRUPTIONS();
if ((long)h >= (long)ht->nNextFreeElement) {
ht->nNextFreeElement = h < LONG_MAX ? h + 1 : LONG_MAX;
}
ht->nNumOfElements++;
ZEND_HASH_IF_FULL_DO_RESIZE(ht);
return SUCCESS;
}
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。
访问元素
HashTable用两种方式来访问元素:
- 使用字符串
arKey的zend_hash_find()； - 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。
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。
遍历元素
/* This is used to recurse elements and selectively delete certain entries
* from a hashtable. apply_func() receives the data and decides if the entry
* should be deleted or recursion should be stopped. The following three
* return codes are possible:
* ZEND_HASH_APPLY_KEEP - continue
* ZEND_HASH_APPLY_STOP - stop iteration
* ZEND_HASH_APPLY_REMOVE - delete the element, combineable with the former
*/
ZEND_API void zend_hash_apply(HashTable *ht, apply_func_t apply_func TSRMLS_DC)
{
Bucket *p;
IS_CONSISTENT(ht);
HASH_PROTECT_RECURSION(ht);
p = ht->pListHead;
while (p != NULL) {
int result = apply_func(p->pData TSRMLS_CC);
if (result & ZEND_HASH_APPLY_REMOVE) {
p = zend_hash_apply_deleter(ht, p);
} else {
p = p->pListNext;
}
if (result & ZEND_HASH_APPLY_STOP) {
break;
}
}
HASH_UNPROTECT_RECURSION(ht);
}
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:
typedef int (*apply_func_arg_t)(void *pDest,void *argument TSRMLS_DC);
void zend_hash_apply_with_argument(HashTable *ht,apply_func_arg_t apply_func, void *data TSRMLS_DC);
typedef int (*apply_func_args_t)(void *pDest,int num_args, va_list args, zend_hash_key *hash_key);
void zend_hash_apply_with_arguments(HashTable *ht,apply_func_args_t apply_func, int numargs, …);
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。
