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一起学习PHP7内核之HashTable

之前的俩篇文章深入理解PHP7内核之zval 和深入理解PHP7内核之Reference, 我介绍了当时在开发PHP7的时候对zval和reference的一些改造思考和结果, 之后因为确实精力有限就没有继续往下写，时隔一年多以后，因为这场突如其来的疫情，在家办公的时间很多，于是终于有了时间让我来继续介绍一下PHP7的中Hashtable的变化, 以及当时我们做这些变化背后的考量.

PHP5

对于PHP内核一直有关注的同学, 应该对PHP5的Hashtable会比较熟悉, 但我们还是先来简单回顾一下PHP5的Hashtable:

在PHP5的实现中, Hashtable的核心是存储了一个个指向zval指针的指针, 也就是zval**(我遇到不少的同学问为什么是zval**, 而不是zval*, 这个原因其实很简单, 因为Hashtable中的多个位置都可能指向同一个zval, 那么最常见的一个可能就是在COW的时候, 当我们需要把一个变量指向一个新的zval的时候, 如果在符号表中存的是zval*, 那们我们就做不到对一处修改, 所有的持有方都有感知, 所以必须是zval**), 这样的设计在最初的出发点是为了让Hashtable可以存储任何尺寸的任何信息, 不仅仅是指针, 还可以存储一段内存值(当然实际上大部分情况下，比如符号表还是存的zval的指针).

PHP5的代码中也用了比较Hack的方式来判断存储的是什么:

#define UPDATE_DATA(ht, p, pData, nDataSize)                                            
    if (nDataSize == sizeof(void*)) {                                                   
        if ((p)->pData != &(p)->pDataPtr) {                                             
            pefree_rel((p)->pData, (ht)->persistent);                                   
        }                                                                               
        memcpy(&(p)->pDataPtr, pData, sizeof(void *));                                  
        (p)->pData = &(p)->pDataPtr;                                                    
    } else {                                                                            
        if ((p)->pData == &(p)->pDataPtr) {                                             
            (p)->pData = (void *) pemalloc_rel(nDataSize, (ht)->persistent);            
            (p)->pDataPtr=NULL;                                                         
        } else {                                                                        
            (p)->pData = (void *) perealloc_rel((p)->pData, nDataSize, (ht)->persistent);   \
            /* (p)->pDataPtr is already NULL so no need to initialize it */             \
        }                                                                              
        memcpy((p)->pData, pData, nDataSize);                                           
    }

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它来判断存储的size是不是一个指针大小, 从而采用不同的方式来更新存储的内容。非常Hack的方式。

PHP5的Hashtable对于每一个Bucket都是分开申请释放的。

而存储在Hashtable中的数据是也会通过pListNext指针串成一个list，可以直接遍历，关于这块可以参看我很早的一篇文章深入理解PHP之数组

问题

在写PHP7的时候，我们详细思考了几点可能优化的点，包括也从性能角度总结了以下目前这种实现的几个问题：

Hashtable在PHP中，应用最多的是保存各种zval, 而PHP5的HashTable设计的太通用，可以设计为专门为了存储zval而优化, 从而能减少内存占用。
2. 缓存局部性问题，因为PHP5的Hashtable的Bucket，包括zval都是独立分配的，并且采用了List来串Hashtable中的所有元素，会导致在遍历或者顺序访问一个数组的时候，缓存不友好。

比如如图所示在PHP代码中常见的foreach一个数组，就会发生多次的内存跳跃.
3. 和1类似，在PHP5的Hashtable中，要访问一个zval，因为是zval**，那需要至少解指针俩次，一方面是缓存不友好，另外一方面也是效率低下。
比如上图中，蓝色框的部分，我们找到数组中的bucket以后，还需要解开zval**，才可以读取到实际的zval的内容。也就是需要发生俩次内存读取。效率低下。

当然还有很多的其他的问题，此处不再赘述，说实在的毕竟俩年多了，当时怎么想的，现在有些也想不起来了，现在我们来看看PHP7的

PHP7

首先在PHP7中，我们当时的考虑是可能因为担心Hashtable用的太多，我们新设计的结构体可能不一定能Cover所有的场景，于是我们新定义了一个结构体叫做zend_array, 当然最后经过一系列的努力，发现zend_array可以完全替代Hashtable，最后还是保留了Hashtable和zend_array俩个名字，只不过互为Alias.
再下面的文章中，我会用HashTable来特指PHP5中的Hashtable，而用zend_array来指代PHP7中的Hashtable.

我们先来看看zend_array的定义:

struct _zend_array {
    zend_refcounted_h gc;
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    flags,
                zend_uchar    _unused,
                zend_uchar    nIteratorsCount,
                zend_uchar    _unused2)
        } v;
        uint32_t flags;
    } u;
    uint32_t          nTableMask;
    Bucket           *arData;
    uint32_t          nNumUsed;
    uint32_t          nNumOfElements;
    uint32_t          nTableSize;
    uint32_t          nInternalPointer;
    zend_long         nNextFreeElement;
    dtor_func_t       pDestructor;
};

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相比PHP5时代的Hashtable，zend_array的内存占用从PHP5点72个字节，降低到了56个字节，想想一个PHP生命进程中成千上万的数组，内存降低明显。

此处再次特别说明下上面zend_array定义中的ZEND_ENDIAN_LOHT_4这个作用，这个是为了解决大小端问题，在大端小端上都能让其中的元素保证同样的内存存储顺序，可以方便我们写出通用的位操作。在PHP7中，位操作应用的很多，因为这样一来一个字节就可以保存8个状态位，很节省内存:)

#ifdef WORDS_BIGENDIAN
# define ZEND_ENDIAN_LOHI_4(a, b, c, d)    d; c; b; a;
#else
# define ZEND_ENDIAN_LOHI_4(a, b, c, d)    a; b; c; d;
#endif

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而数据会核心保存在arData中，arData是一个Bucket数组，Bucket定义:

typedef struct _Bucket {
    zval              val;
    zend_ulong        h;   /* hash value (or numeric index)   */
    zend_string      *key; /* string key or NULL for numerics */
} Bucket

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再对比看下PHP5多Bucket:

typedef struct bucket {
    ulong h;               /* Used for numeric indexing */
    uint nKeyLength;
    void *pData;
    void *pDataPtr;
    struct bucket *pListNext;
    struct bucket *pListLast;
    struct bucket *pNext;
    struct bucket *pLast;
    const char *arKey;
} Bucket;

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内存占用从72字节，降低到了32个字节，想想一个PHP进程中几十万的数组元素，这个内存降低就更明显了.

对比的看，

现在的冲突拉链被bauck.zval->u2.next替代，于是bucket->pNext, bucket->pLast可以去掉了。
zend_array->arData是一个数组，所以也就不再需要pListNext, pListLast来保持顺序了, 他们也可以去掉了。现在数组中元素的先后顺序，完全根据它在arData中的index顺序决定，先加入的元素在低的index中。
PHP7中的Bucket现在直接保存一个zval, 取代了PHP5时代bucket中的pData和pDataPtr。
最后就是PHP7中现在使用zend_string作为数组的字符串key，取代了PHP5时代bucket的*key, nKeylength.

现在我们来整体看下zend_array的组织图：

回顾下深入理解PHP7内核之ZVAL, 现在的zend_array就可以应付各种场景下的HashTable的作用了。
特别说明对是除了一个问题就是之前提到过的IS_INDIRECT, 不知道大家是否还记得. 上一篇我说过原来HashTable为什么要设计保存zval**，那么现在因为_Bucket直接保存的是zval了，那怎么解决COW的时候一处修改多处可见的需求呢？ IS_INDIRECT就应用而生了，IS_INDIRECT类型其实可以理解为就是一个zval*的结构体。它被广泛应用在GLOBALS，Properties等多个需要俩个HashTable指向同于一个ZVAL的场景。

另外，对于原来一些扩展会使用HashTable来保存一些自己的内存，现在可以通过IS_PTR这种zval类型来实现。

现在arData因为是一个连续的数组了，那么当foreach的时候，就可以顺序访问一块连续的内存，而现在zval直接保存在bucket中，那么在绝大部分情况下（不需要外部指针的内容，比如long，bool之类的）就可以不需要任何额外的zval指针解引用了，缓存局部性友好，性能提升非常明显。

还有就是PHP5的时代，查找数组元素的时候，因为传递进来的是char *key，所有需要每次查找都计算key的Hash值，而现在查找的时候传递进来的key是zend_string, Hash值不需要重新计算，此处也有部分性能提升。

ZEND_API zval* ZEND_FASTCALL zend_hash_find(const HashTable *ht, zend_string *key);
ZEND_API zval* ZEND_FASTCALL zend_hash_str_find(const HashTable *ht, const char *key, size_t len);
ZEND_API zval* ZEND_FASTCALL zend_hash_index_find(const HashTable *ht, zend_ulong h);
ZEND_API zval* ZEND_FASTCALL _zend_hash_index_find(const HashTable *ht, zend_ulong h);

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当然，PHP7也保留了直接通过char* 查找的zend_hash_str_find API，这对于一些只有char*的场景，可以避免生成zend_string的内存开销，也是很有用的。

另外，我们还做了不少进一步的优化:

Packed array

对于字符串key的数组来说， zend_array在arHash中保存了Hash值到arData的对应，有同学可能会好奇怎么没有在zend_array中看到arHash? 这是因为arHash和arData是一次分配的:

HashTable Data Layout
=====================
 
         +=============================+
pointer->| HT_HASH(ht, ht->nTableMask) |
         | ...                         |
         | HT_HASH(ht, -1)             |
         +-----------------------------+
arData ->| Bucket[0]                   |
         | ...                         |
         | Bucket[ht->nTableSize-1]    |
         +=============================+

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如图，事实上arData是一块分配的内存的中间部分，分配的内存真正的起始位置其实是pointer，而arData是计算过的一处中间位置，这样就可以用一个指针来表达俩个位置，分别通过前后偏移来获取位置，比如-1对应的是arHash[0], 这个技巧在PHP7的过程中我们也大量应用了，比如因为zend_object是变长的，所以不能在他后面有其他元素，为了实现一些自定义的object，那么我们会在zend_object前面分配自定义的元素等等。

而对于全部是数字key的数组，arHash就显得没那么必要了，所以此时我们就用了一种新的数组, packed array来优化这个场景。

对于HASH_FLAG_PACKED的数组(标志在zend_array->u.flags)中，它们是只有连续数字key的数组，它们不需要Hash值来映射，所以这样的数组读取的时候，就相当于你直接访问C数组，直接根据偏移来获取zval.

<?php
echo "Packed array:\n";
$begin = memory_get_usage();
$array = range(0, 10000);
echo "Memory: ", memory_get_usage() - $begin, " bytes\n";
$begin = memory_get_usage();
$array[10001] = 1;
echo "Memory Increased: ", memory_get_usage() - $begin, " bytes\n";
 
$start = microtime(true);
for ($i = 0; $i < 10000; $i++) {
    $array[$i];
}
echo "Time: ", (microtime(true) - $start) * 1000 , " ms\n";
 
unset($array);
 
echo "\nMixed array:\n";
$begin = memory_get_usage();
$array = range(0, 10000);
echo "Memory: ", memory_get_usage() - $begin, " bytes\n";
$begin = memory_get_usage();
$array["foo"] = 1;
echo "Memory Increased: ", memory_get_usage() - $begin, " bytes\n";
 
$start = microtime(true);
for ($i = 0; $i < 10000; $i++) {
    $array[$i];
}
echo "Time: ", (microtime(true) - $start) * 1000 ," ms\n";

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如图所示的简单测试，在我的机器上输出如下(请注意，这个测试的部分结果可能会受你的机器，包括装了什么扩展相关，所以记得要-n)：

$ /home/huixinchen/local/php74/bin/php -n /tmp/1.php
Packed array:
Memory: 528480 bytes
Memory Increased: 0 bytes
Time: 0.49519538879395 ms
 
Mixed array:
Memory: 528480 bytes
Memory Increased: 131072 bytes
Time: 0.63300132751465 ms

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可以看到，当我们使用$array[“foo”]=1, 强迫一个数组从PACKED ARRAY变成一个Mixed Array以后，内存增长很明显，这部分是因为需要为10000个arHash分配内存。
而通过Index遍历的耗时，Packed Array仅仅是Mixed Array的78%。

Static key array

对于字符串array来说， destructor的时候是需要释放字符串key的, 数组copy的时候也要增加key的计数，但是如果所有的key都是INTERNED字符串，那事实上我们不需要管这些了。于是就有了这个HASH_FLAG_STATIC_KEYS。

Empty array

我们分析发现，在实际使用中，有大量的空数组，针对这些, 我们在初始化数组的时候，如果不特殊申明，默认是不会分配arData的，此时会把数组标志为HASH_FLAG_UNINITIALIZED，只有当发生实际的写入的时候，才会分配arData。

Immutable array

类似于INTERNED STRING，PHP7中我们也引入了一种Imuutable array, 标志在array->gc.flags中的IS_ARRAY_IMMUTABLE, 大家可以理解为不可更改的数组，对于这种数组，不会发生COW，不需要计数，这个也会极大的提高这种数据的操作性能，我的Yaconf中也大量应用了这种数据特性。

SIMD

后来的PHP7的版本中，我实现了一套SIMD指令集优化的框架，比如SIMD的base64_encode, 而在HashTable的初始化中，我们也应用了部分这样的指令集（此处应用虽然很微小，但有必要提一下):

ifdef __SSE2__
        do {
            __m128i xmm0 = _mm_setzero_si128();
            xmm0 = _mm_cmpeq_epi8(xmm0, xmm0);
            _mm_storeu_si128((__m128i*)&HT_HASH_EX(data,  0), xmm0);
            _mm_storeu_si128((__m128i*)&HT_HASH_EX(data,  4), xmm0);
            _mm_storeu_si128((__m128i*)&HT_HASH_EX(data,  8), xmm0);
            _mm_storeu_si128((__m128i*)&HT_HASH_EX(data, 12), xmm0);
        } while (0);
#else
        HT_HASH_EX(data,  0) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  1) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  2) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  3) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  4) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  5) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  6) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  7) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  8) = -1;
        HT_HASH_EX(data,  9) = -1;
        HT_HASH_EX(data, 10) = -1;
        HT_HASH_EX(data, 11) = -1;
        HT_HASH_EX(data, 12) = -1;
        HT_HASH_EX(data, 13) = -1;
        HT_HASH_EX(data, 14) = -1;
        HT_HASH_EX(data, 15) = -1;
#endif

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存在的问题

在实现zend_array替换HashTable中我们遇到了很多的问题，绝大部份它们都被解决了，但遗留了一个问题，因为现在arData是连续分配的，那么当数组增长大小到需要扩容到时候，我们只能重新realloc内存，但系统并不保证你realloc以后，地址不会发生变化，那么就有可能：

<?php
$array = range(0, 7);
 
set_error_handler(function($err, $msg) {
    global $array;
    $array[] = 1; //force resize;
});
 
function crash() {
    global $array;
    $array[0] += $var; //undefined notice
}
 
crash();

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比如上面的例子，首先是一个全局数组，然后在函数crash中，在+= opcode handler中，zend vm会首先获取array[0]的内容，然后+$var, 但var是undefined variable，所以此时会触发一个未定义变量的notice，而同时我们设置了error_handler, 在其中我们给这个数组增加了一个元素，因为PHP中的数组按照2^n的空间预先申请，此时数组满了，需要resize，于是发生了realloc，从error_handler返回以后，array[0]指向的内存就可能发生了变化，此时会出现内存读写错误，甚至segfault，有兴趣的同学，可以尝试用valgrind跑这个例子看看。

但这个问题的触发条件比较多，修复需要额外对数据结构，或者需要拆分add_assign对性能会有影响，另外绝大部分情况下因为数组的预先分配策略存在，以及其他大部分多opcode handler读写操作基本都很临近，这个问题其实很难被实际代码触发，所以这个问题一直悬停着。

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