foreach 相关

20 Nov 08 深入理解PHP原理之foreach 

foreach是PHP中很常用的一个用作数组循环的控制语句。
因为它的方便和易用，自然也就在后端隐藏着很复杂的具体实现方式(对用户透明)
今天，我们就来一起分析分析，foreach是如何实现数组（对象）的遍历的。
本节内容涉及到较多编译原理（lex and yacc）的知识，所以如果您觉得看不太懂，可以先找相关的资料看看。

我们知道PHP是一个脚本语言，也就是说，用户编写的PHP代码最终都是会被PHP解释器解释执行，
特别的，对于PHP来说，所有的用户编写的PHP代码，都会被翻译成PHP的虚拟机ZE的虚拟指令（OPCODES）来执行(参看：深入理解PHP原理之Opcodes).

不论细节的话，就是说，我们所编写的任何PHP脚本，都会最终被翻译成一条条的指令，从而根据指令，由相应的C编写的函数来执行。

那么foreach会被翻译成什么样子呢？

  1. foreach($arr as $key => $val){
  2.      echo $key . '=>' . $val . " ";
  3. }

在词法分析阶段，foreach会被识别为一个TOKEN：T_FOREACH，
在语法分析阶段，会被规则：

  1.   unticked_statement: //没有被绑定ticks的语句
  2.      //有省略
  3.     | T_FOREACH '(' variable T_AS
  4.         { zend_do_foreach_begin(&$1, &$2, &$3, &$4, 1 TSRMLS_CC); }
  5.         foreach_variable foreach_optional_arg ')' { zend_do_foreach_cont(&$1, &$2, &$4, &$6, &$7 TSRMLS_CC); }
  6.         foreach_statement { zend_do_foreach_end(&$1, &$4 TSRMLS_CC); }
  7.     | T_FOREACH '(' expr_without_variable T_AS
  8.         { zend_do_foreach_begin(&$1, &$2, &$3, &$4, 0 TSRMLS_CC); }
  9.         variable foreach_optional_arg ')' { zend_check_writable_variable(&$6); zend_do_foreach_cont(&$1, &$2, &$4, &$6, &$7 TSRMLS_CC); }
  10.         foreach_statement { zend_do_foreach_end(&$1, &$4 TSRMLS_CC); }
  11.      //有省略
  12. ;

仔细分析这段语法规则，我们可以发现，对于:
foreach($arr as $key => $val){
echo $key . ‘=>’ . $val .” ”;
}

会被分析为：

  1.      T_FOREACH '(' variable T_AS { zend_do_foreach_begin('foreach', '(', $arr, 'as', 1 TSRMLS_CC); }
  2.     foreach_variable foreach_optional_arg(T_DOUBLE_ARROW foreach_variable) ')' { zend_do_foreach_cont('foreach', '(', 'as', $key, $val TSRMLS_CC); }
  3.     foreach_satement {zend_do_foreach_end('foreach', 'as');}

然后，让我们来看看foreach_statement：
它其实就是一个代码块，体现了我们的 echo $key . ‘=>’ . $val .” ”;
T_ECHO expr;

显然，实现foreach的核心就是如下3个函数：
zend_do_foreach_begin
zend_do_foreach_cont
zend_do_foreach_end

其中，zend_do_foreach_begin (代码太长，直接写伪码) 主要做了：
1. 记录当前的opline行数（为以后跳转而记录）
2. 对数组进行RESET（讲内部指针指向第一个元素）
3. 获取临时变量 （$val）
4. 设置获取变量的OPCODE FE_FETCH，结果存第3步的临时变量
4. 记录获取变量的OPCODES的行数

而对于 zend_do_foreach_cont来说：
1. 根据foreach_variable的u.EA.type来判断是否引用
2. 根据是否引用来调整zend_do_foreach_begin中生成的FE_FETCH方式
3. 根据zend_do_foreach_begin中记录的取变量的OPCODES的行数，来初始化循环(主要处理在循环内部的循环:do_begin_loop)

最后zend_do_foreach_end:
1. 根据zend_do_foreach_begin中记录的行数信息，设置ZEND_JMP OPCODES
2. 根据当前行数，设置循环体下一条opline, 用以跳出循环
3. 结束循环（处理循环内循环:do_end_loop)
4. 清理临时变量

当然， 在zend_do_foreach_cont 和 zend_do_foreach_end之间 会在语法分析阶段被填充foreach_satement的语句代码。

这样，就实现了foreach的OPCODES line。
比如对于我们开头的实例代码，最终生成的OPCODES是：

  1. filename: /home/huixinchen/foreach.php
  2. function name: (null)
  3. number of ops: 17
  4. compiled vars: !0 = $arr, !1 = $key, !2 = $val
  5. line # op fetch ext return operands
  6. -------------------------------------------------------------------------------
  7.    2 0 SEND_VAL 1
  8.          1 SEND_VAL 100
  9.          2 DO_FCALL 2 'range'
  10.          3 ASSIGN !0, $0
  11.    3 4 FE_RESET $2 !0, ->14
  12.          5 FE_FETCH $3 $2, ->14
  13.          6 ZEND_OP_DATA ~5
  14.          7 ASSIGN !2, $3
  15.          8 ASSIGN !1, ~5
  16.    4 9 CONCAT ~7 !1, '-'
  17.         10 CONCAT ~8 ~7, !2
  18.         11 CONCAT ~9 ~8, '%0A'
  19.         12 ECHO ~9
  20.    5 13 JMP ->5
  21.         14 SWITCH_FREE $2
  22.    7 15 RETURN 1
  23.         16* ZEND_HANDLE_EXCEPTION

我们注意到FE_FETCH的op2的操作数是14，也就是JMP后一条opline，也就是说，在获取完最后一个数组元素以后，FE_FETCH失败的情况下，会跳到第14行opline，从而实现了循环的结束。
而15行opline的op1的操作数是指向了FE_FETCH，也就是无条件跳转到第5行opline，从而实现了循环。

附录:

  1. void zend_do_foreach_begin(znode *foreach_token, znode *open_brackets_token, znode *array, znode *as_token, int variable TSRMLS_DC)
  2. {
  3.     zend_op *opline;
  4.     zend_bool is_variable;
  5.     zend_bool push_container = 0;
  6.     zend_op dummy_opline;
  7.  
  8.     if (variable) {
  9.           //是否是匿名数组
  10.         if (zend_is_function_or_method_call(array)) {
  11.                //是否是函数返回值
  12.             is_variable = 0;
  13.         } else {
  14.             is_variable = 1;
  15.         }
  16.         /* 使用括号记录FE_RESET的opline行数 */
  17.         open_brackets_token->u.opline_num = get_next_op_number(CG(active_op_array));
  18.         zend_do_end_variable_parse(BP_VAR_W, 0 TSRMLS_CC); //获取数组/对象和zend_do_begin_variable_parse对应
  19.         if (CG(active_op_array)->last > 0 &&
  20.             CG(active_op_array)->opcodes[CG(active_op_array)->last-1].opcode == ZEND_FETCH_OBJ_W) {
  21.             /* Only lock the container if we are fetching from a real container and not $this */
  22.             if (CG(active_op_array)->opcodes[CG(active_op_array)->last-1].op1.op_type == IS_VAR) {
  23.                 CG(active_op_array)->opcodes[CG(active_op_array)->last-1].extended_value |= ZEND_FETCH_ADD_LOCK;
  24.                 push_container = 1;
  25.             }
  26.         }
  27.     } else {
  28.         is_variable = 0;
  29.         open_brackets_token->u.opline_num = get_next_op_number(CG(active_op_array));
  30.     }
  31.  
  32.     foreach_token->u.opline_num = get_next_op_number(CG(active_op_array)); //记录数组Reset Opline number
  33.  
  34.     opline = get_next_op(CG(active_op_array) TSRMLS_CC); //生成Reset数组Opcode
  35.  
  36.     opline->opcode = ZEND_FE_RESET;
  37.     opline->result.op_type = IS_VAR;
  38.     opline->result.u.var = get_temporary_variable(CG(active_op_array));
  39.     opline->op1 = *array;
  40.     SET_UNUSED(opline->op2);
  41.     opline->extended_value = is_variable ? ZEND_FE_RESET_VARIABLE : 0;
  42.  
  43.     dummy_opline.result = opline->result;
  44.     if (push_container) {
  45.         dummy_opline.op1 = CG(active_op_array)->opcodes[CG(active_op_array)->last-2].op1;
  46.     } else {
  47.         znode tmp;
  48.  
  49.         tmp.op_type = IS_UNUSED;
  50.         dummy_opline.op1 = tmp;
  51.     }
  52.     zend_stack_push(&CG(foreach_copy_stack), (void *) &dummy_opline, sizeof(zend_op));
  53.  
  54.     as_token->u.opline_num = get_next_op_number(CG(active_op_array)); //记录循环起始点
  55.  
  56.     opline = get_next_op(CG(active_op_array) TSRMLS_CC);
  57.     opline->opcode = ZEND_FE_FETCH;
  58.     opline->result.op_type = IS_VAR;
  59.     opline->result.u.var = get_temporary_variable(CG(active_op_array));
  60.     opline->op1 = dummy_opline.result; //被操作数组
  61.     opline->extended_value = 0;
  62.     SET_UNUSED(opline->op2);
  63.  
  64.     opline = get_next_op(CG(active_op_array) TSRMLS_CC);
  65.     opline->opcode = ZEND_OP_DATA; //当使用key的时候附属操作数,当foreach中不包含key时忽略
  66.     SET_UNUSED(opline->op1);
  67.     SET_UNUSED(opline->op2);
  68.     SET_UNUSED(opline->result);
  69. }
  1. void zend_do_foreach_cont(znode *foreach_token, const znode *open_brackets_token, const znode *as_token, znode *value, znode *key TSRMLS_DC)
  2. {
  3.     zend_op *opline;
  4.     znode dummy, value_node;
  5.     zend_bool assign_by_ref=0;
  6.  
  7.     opline = &CG(active_op_array)->opcodes[as_token->u.opline_num]; //获取FE_FETCH Opline
  8.     if (key->op_type != IS_UNUSED) {
  9.         znode *tmp;//交换key和val
  10.  
  11.         tmp = key;
  12.         key = value;
  13.         value = tmp;
  14.  
  15.         opline->extended_value |= ZEND_FE_FETCH_WITH_KEY; //表明需要同时获取key和val
  16.     }
  17.  
  18.     if ((key->op_type != IS_UNUSED) && (key->u.EA.type & ZEND_PARSED_REFERENCE_VARIABLE)) {
  19.           //key不能以引用方式获取
  20.         zend_error(E_COMPILE_ERROR, "Key element cannot be a reference");
  21.     }
  22.  
  23.     if (value->u.EA.type & ZEND_PARSED_REFERENCE_VARIABLE) {
  24.           //以引用方式获取值
  25.         assign_by_ref = 1;
  26.         if (!(opline-1)->extended_value) {
  27.                //根据FE_FETCH的上一条Opline也就是获取数组的扩展值来判断数组是否是匿名数组
  28.             zend_error(E_COMPILE_ERROR, "Cannot create references to elements of a temporary array expression");
  29.         }
  30.  
  31.         opline->extended_value |= ZEND_FE_FETCH_BYREF; //指明按引用取
  32.         CG(active_op_array)->opcodes[foreach_token->u.opline_num].extended_value |= ZEND_FE_RESET_REFERENCE; //重置原数组
  33.     } else {
  34.         zend_op *foreach_copy;
  35.         zend_op *fetch = &CG(active_op_array)->opcodes[foreach_token->u.opline_num];
  36.         zend_op *end = &CG(active_op_array)->opcodes[open_brackets_token->u.opline_num];
  37.  
  38.         /* Change "write context" into "read context" */
  39.         fetch->extended_value = 0; /* reset ZEND_FE_RESET_VARIABLE */
  40.         while (fetch != end) {
  41.             --fetch;
  42.             if (fetch->opcode == ZEND_FETCH_DIM_W && fetch->op2.op_type == IS_UNUSED) {
  43.                 zend_error(E_COMPILE_ERROR, "Cannot use [] for reading");
  44.             }
  45.             fetch->opcode -= 3; /* FETCH_W -> FETCH_R */
  46.         }
  47.  
  48.         /* prevent double SWITCH_FREE */
  49.         zend_stack_top(&CG(foreach_copy_stack), (void **) &foreach_copy);
  50.         foreach_copy->op1.op_type = IS_UNUSED;
  51.     }
  52.  
  53.     value_node = opline->result;
  54.  
  55.     if (assign_by_ref) {
  56.         zend_do_end_variable_parse(value, BP_VAR_W, 0 TSRMLS_CC); //获取值（引用）
  57.         zend_do_assign_ref(NULL, value, &value_node TSRMLS_CC);//指明value node的type是IS_VAR
  58.     } else {
  59.         zend_do_assign(&dummy, value, &value_node TSRMLS_CC); //获取copy值
  60.         zend_do_free(&dummy TSRMLS_CC);
  61.     }
  62.  
  63.     if (key->op_type != IS_UNUSED) {
  64.         znode key_node;
  65.  
  66.         opline = &CG(active_op_array)->opcodes[as_token->u.opline_num+1];
  67.         opline->result.op_type = IS_TMP_VAR;
  68.         opline->result.u.EA.type = 0;
  69.         opline->result.u.opline_num = get_temporary_variable(CG(active_op_array));
  70.         key_node = opline->result;
  71.  
  72.         zend_do_assign(&dummy, key, &key_node TSRMLS_CC);
  73.         zend_do_free(&dummy TSRMLS_CC);
  74.     }
  75.  
  76.     do_begin_loop(TSRMLS_C);
  77.     INC_BPC(CG(active_op_array));
  78. }
  1. void zend_do_foreach_end(znode *foreach_token, znode *as_token TSRMLS_DC)
  2. {
  3.     zend_op *container_ptr;
  4.     zend_op *opline = get_next_op(CG(active_op_array) TSRMLS_CC); //生成JMP opcode
  5.  
  6.     opline->opcode = ZEND_JMP;
  7.     opline->op1.u.opline_num = as_token->u.opline_num; //设置JMP到FE_FETCH opline行
  8.     SET_UNUSED(opline->op1);
  9.     SET_UNUSED(opline->op2);
  10.  
  11.     CG(active_op_array)->opcodes[foreach_token->u.opline_num].op2.u.opline_num = get_next_op_number(CG(active_op_array)); //设置跳出循环的opline行
  12.     CG(active_op_array)->opcodes[as_token->u.opline_num].op2.u.opline_num = get_next_op_number(CG(active_op_array)); //同上
  13.  
  14.     do_end_loop(as_token->u.opline_num, 1 TSRMLS_CC); //为循环嵌套而设置
  15.  
  16.     zend_stack_top(&CG(foreach_copy_stack), (void **) &container_ptr);
  17.     generate_free_foreach_copy(container_ptr TSRMLS_CC);
  18.     zend_stack_del_top(&CG(foreach_copy_stack));
  19.  
  20.     DEC_BPC(CG(active_op_array)); //为PHP interactive模式而设置
  21. }

 

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 深入理解PHP之数组(遍历顺序) 

经常会有人问我, PHP的数组, 如果用foreach来访问, 遍历的顺序是固定的么? 以什么顺序遍历呢?

比如:

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

要完全了解清楚这个问题, 我想首先应该要大家了解PHP数组的内部实现结构………

PHP的数组

在PHP中, 数组是用一种HASH结构(HashTable)来实现的, PHP使用了一些机制, 使得可以在O(1)的时间复杂度下实现数组的增删, 并同时支持线性遍历和随机访问.

之前的文章中也讨论过, PHP的HASH算法, 基于此, 我们做进一步的延伸.

认识HashTable之前, 首先让我们看看HashTable的结构定义, 我加了注释方便大家理解:

  1. typedef struct _hashtable {
  2. uint nTableSize; /* 散列表大小, Hash值的区间 */
  3. uint nTableMask; /* 等于nTableSize -1, 用于快速定位 */
  4. uint nNumOfElements; /* HashTable中实际元素的个数 */
  5. ulong nNextFreeElement; /* 下个空闲可用位置的数字索引 */
  6. Bucket *pInternalPointer; /* 内部位置指针, 会被reset, current这些遍历函数使用 */
  7. Bucket *pListHead; /* 头元素, 用于线性遍历 */
  8. Bucket *pListTail; /* 尾元素, 用于线性遍历 */
  9. Bucket **arBuckets; /* 实际的存储容器 */
  10. dtor_func_t pDestructor;/* 元素的析构函数(指针) */
  11. zend_bool persistent;
  12. unsigned char nApplyCount; /* 循环遍历保护 */
  13. zend_bool bApplyProtection;
  14. #if ZEND_DEBUG
  15. int inconsistent;
  16. #endif
  17. } HashTable;

关于nApplyCount的意义, 我们可以通过一个例子来了解:

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

这个字段就是为了防治循环引用导致的无限循环而设立的.

查看上面的结构, 可以看出, 对于HashTable, 关键元素就是arBuckets了, 这个是实际存储的容器, 让我们来看看它的结构定义:

  1. typedef struct bucket {
  2. ulong h; /* 数字索引/hash值 */
  3. uint nKeyLength; /* 字符索引的长度 */
  4. void *pData; /* 数据 */
  5. void *pDataPtr; /* 数据指针 */
  6. struct bucket *pListNext; /* 下一个元素, 用于线性遍历 */
  7. struct bucket *pListLast; /* 上一个元素, 用于线性遍历 */
  8. struct bucket *pNext; /* 处于同一个拉链中的下一个元素 */
  9. struct bucket *pLast; /* 处于同一拉链中的上一个元素 */
  10. char arKey[1]; /* 节省内存,方便初始化的技巧 */
  11. } Bucket;

我们注意到, 最后一个元素, 这个是flexible array技巧, 可以节省内存,和方便初始化的一种做法, 有兴趣的朋友可以google flexible array.

h是元素的Hash值,对于数字索引的元素,h为直接索引值(通过nKeyLength=0来表示是数字索引).而对于字符串索引来说, 索引值保存在arKey中, 索引的长度保存在nKeyLength中.

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(本段来自Altair<eniac2008@hotmail.com>的”Zend HashTable详解”)

结合上面的HashTable结构, 我们来说明下HashTable的总结构图:

HashTable结构示意图

HashTable结构示意图

HashTable的pListhHead指向线性列表形式下的第一个元素, 上图中是元素1, pListTail指向的是最后一个元素0, 而对于每一个元素pListNext就是红色线条画出的线性结构的下一个元素, 而pListLast是上一个元素.

pInternalPointer指向当前的内部指针的位置, 在对数组进行顺序遍历的时候, 这个指针指明了当前的元素.

当在线性(顺序)遍历的时候, 就会从pListHead开始, 顺着Bucket中的pListNext/pListLast, 根据移动pInternalPointer, 来实现对所有元素的线性遍历.

比如, 对于foreach, 如果我们查看它生成的opcode序列, 我们可以发现, 在foreach之前, 会首先有个FE_RESET来重置数组的内部指针, 也就是pInternalPointer(关于foreach可以参看深入理解PHP原理之foreach), 然后通过每次FE_FETCH来递增pInternalPointer,从而实现顺序遍历.

类似的, 当我们使用, each/next系列函数来遍历的时候, 也是通过移动数组的内部指针而实现了顺序遍历, 这里有一个问题, 比如:

  1. <?php
  2. $arr = array(1,2,3,4,5);
  3. foreach ($arr as $v) {
  4. //可以获取
  5. }
  6.  
  7. while (list($key, $v) = each($arr)) {
  8. //获取不到
  9. }
  10. ?>

了解到我刚才介绍的知识, 那么这个问题也就很明朗了, 因为foreach会自动reset, 而while这块不会reset, 所以在foreach结束以后, pInternalPointer指向数组最末端, while语句块当然访问不到了, 解决的办法就是在each之前, 先reset数组的内部指针.

而在随机访问的时候, 就会通过hash值确定在hash数组中的头指针位置, 然后通过pNext/pLast来找到特点元素.

增加元素的时候, 元素会插在相同Hash元素链的头部和线性列表的尾部. 也就是说, 元素在线性遍历的时候是根据插入的先后顺序来遍历的, 这个特殊的设计使得在PHP中,当使用数字索引时, 元素的先后顺序是由添加的顺序决定的,而不是索引顺序.

也就是说, PHP中遍历数组的顺序, 是和元素的添加先后相关的, 那么, 现在我们就很清楚的知道, 文章开头的问题的输出是:

  1. huixinchen
  2. 2007
  3. 2008

所以, 如果你想在数字索引的数组中按照索引大小遍历, 那么你就应该使用for, 而不是foreach

  1. for($i=0,$l=count($arr); $i<$l; $i++) {
  2.  //这个时候,不能认为是顺序遍历(线性遍历)
  3. }
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