PHP 內核：foreach 是如何工作的（二）

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PHP 內核：foreach 是如何工作的（一） PHP 5 內部數組指針和散列指針 PHP 5 中的數組有一個專用的 “內部數組指針”（IAP），它適當地支持修改：每當刪除一個元素時，都會檢查 IAP 是否指向該元素。 如果是，則轉發到下一個元素。 雖然 foreach 確實使用了 IAP，但還有 ...


PHP 內核：foreach 是如何工作的（一）

PHP 5

內部數組指針和散列指針

PHP 5 中的數組有一個專用的 “內部數組指針”（IAP），它適當地支持修改：每當刪除一個元素時，都會檢查 IAP 是否指向該元素。 如果是，則轉發到下一個元素。

 

雖然 foreach 確實使用了 IAP，但還有一個複雜因素：只有一個 IAP，但是一個數組可以是多個 foreach 迴圈的一部分：

 

// 在這裡使用by-ref迭代來確保它真的
// 兩個迴圈中的相同數組而不是副本
foreach ($arr as &$v1) {
    foreach ($arr as &$v) {
        // ...
    }
}

為了支持只有一個內部數組指針的兩個同時迴圈，foreach 執行以下 shenanigans：在執行迴圈體之前，foreach 將備份指向當前元素及其散列的指針到每個 foreachHashPointer。迴圈體運行後，如果 IAP 仍然存在，IAP 將被設置回該元素。 但是，如果元素已被刪除，我們將只在 IAP 當前所在的位置使用。這個計劃基本上是可行的，但是你可以從中獲得很多奇怪的情況，其中一些我將在下麵演示。

數組複製

 

IAP 是數組的一個可見特性 (通過 current 系列函數公開)，因此 IAP 計數的更改是在寫時複製語義下的修改。不幸的是，這意味著 foreach 在許多情況下被迫複製它正在迭代的數組。 具體條件是：

  1. 數組不是引用（is_ref = 0）。 如果它是一個引用，那麼對它的更改將被傳播，因此不應該複製它。
  2. 數組的 refcount>1。如果 refcount 是 1，那麼此數組是不共用的，我們可以直接修改它。

如果數組沒有被覆制 (is_ref=0, refcount=1)，那麼只有它的 refcount 會被增加 (*)。此外，如果使用帶引用的 foreach，那麼 (可能重覆的) 數組將轉換為引用。

如下代碼作為引起複制的示例:

function iterate($arr) {
    foreach ($arr as $v) {}
}

$outerArr = [0, 1, 2, 3, 4];
iterate($outerArr);

 

在這裡，$arr 將被覆制以防止 $arr 上的 IAP 更改泄漏到 $outerArr。 就上述條件而言，數組不是引用（is_ref = 0），並且在兩個地方使用（refcount = 2）。 這個要求是不幸的，也是次優實現的工件（這裡不需要修改迭代，因此我們不需要首先使用 IAP）。

 

（*）增加 refcount 聽起來無害，但違反了寫時複製（COW）語義：這意味著我們要修改 refcount = 2 數組的 IAP，而 COW 則要求只能執行修改 on refcount = 1 值。這種違反會導致用戶可見的行為更改 (而 COW 通常是透明的)，因為迭代數組上的 IAP 更改將是可見的 -- 但只有在數組上的第一個非 IAP 修改之前。相反，這三個 “有效” 選項是：a) 始終複製，b) 不增加 refcount，從而允許在迴圈中任意修改迭代數組，c) 完全不使用 IAP (PHP 7 解決方案)。

 

位置發展順序

要正確理解下麵的代碼示例，你必須瞭解最後一個實現細節。在偽代碼中，迴圈遍歷某些數據結構的 “正常” 方法是這樣的：

reset(arr);
while (get_current_data(arr, &data) == SUCCESS) {
    code();
    move_forward(arr);
}

然而，foreach，作為一個相當特殊的 snowflake，選擇做的事情略有不同：

reset(arr);
while (get_current_data(arr, &data) == SUCCESS) {
    move_forward(arr);
    code();
}

也就是說，數組指針 在迴圈體運行之前已經向前移動了。這意味著，當迴圈體處理元素 $i 時，IAP 已經位於元素 $i+1。這就是為什麼在迭代期間顯示修改的代碼示例總是 unset下一個元素，而不是當前元素的原因。

 

例子：你的測試用例

上面描述的三個方面應該可以讓你大致瞭解 foreach 實現的特性，我們可以繼續討論一些例子。

此時，測試用例的行為更容易理解：

  • 在測試用例 1 和 2 中，$array 以 refcount = 1 開始，因此它不會被 foreach 複製：只有 refcount 才會遞增。 當迴圈體隨後修改數組（在該點處具有 refcount = 2）時，將在該點處進行複製。 Foreach 將繼續處理未修改的 $array 副本。
  • 在測試用例 3 中，數組沒有再被覆制，因此 foreach 將修改 $array 變數的 IAP。 在迭代結束時，IAP 為 NULL（意味著迭代已完成），其中 each 返回 false。
  • 在測試用例 4 和 5 中，each 和 reset 都是引用函數。$array 在傳遞給它們時有一個 refcount = 2，所以必須複製它。因此，foreach 將再次處理一個單獨的數組。

例子：current 在 foreach 中的作用

顯示各種複製行為的一個好方法是觀察 foreach 迴圈中 current() 函數的行為。看如下這個例子：

foreach ($array as $val) {
    var_dump(current($array));
}
/* 輸出: 2 2 2 2 2 */

在這裡，你應該知道 current() 是一個 by-ref 函數 (實際上是：preferences-ref)，即使它沒有修改數組。它必須很好地處理所有其他函數，如 next，它們都是 by-ref。通過引用傳遞意味著數組必須是分開的，因此 $array 和 foreach-array 將是不同的。你得到是 2 而不是 1 的原因也在上面提到過：foreach在運行用戶代碼之前指向數組指針，而不是之後。因此，即使代碼位於第一個元素，foreach 已經將指針指向第二個元素。

 

現在讓我們嘗試一下小修改：

 

$ref = &$array;
foreach ($array as $val) {
    var_dump(current($array));
}
/* 輸出: 2 3 4 5 false */

這裡我們有 is_ref=1 的情況，所以數組沒有被覆制 (就像上面那樣)。但是現在它是一個引用，當傳遞給 by-ref current() 函數時不再需要複製數組。因此，current() 和 foreach 工作在同一個數組上。不過，由於 foreach 指向指針的方式，你仍可以看到 off-by-one 行為。

當執行 by-ref 迭代時，你會得到相同的行為:

foreach ($array as &$val) {
    var_dump(current($array));
}
/* 輸出: 2 3 4 5 false */

 

這裡重要的部分是，當通過引用迭代 $array 時，foreach 會將 $array 設置為 is_ref=1，所以基本上情況與上面相同。

另一個小變化，這次我們將數組分配給另一個變數:

$foo = $array;
foreach ($array as $val) {
    var_dump(current($array));
}
/* 輸出: 1 1 1 1 1 */

這裡 $array 的 refcount 在迴圈開始時是 2，所以這一次我們必須在前面進行複製。因此，$array 和 foreach 使用的數組從一開始就完全分離。這就是為什麼 IAP 的位置在迴圈之前的任何位置 (在本例中是在第一個位置)。

例子：迭代期間的修改

 

嘗試理解迭代過程中的修改是我們所有 foreach 問題的起源，因此我們可以拿一些例子來考慮。

 

考慮相同數組上的這些嵌套迴圈 (其中 by-ref 迭代用於確保它確實是相同的)：

 

foreach ($array as &$v1) {
    foreach ($array as &$v2) {
        if ($v1 == 1 && $v2 == 1) {
            unset($array[1]);
        }
        echo "($v1, $v2)\n";
    }
}

// 輸出: (1, 1) (1, 3) (1, 4) (1, 5)

這裡的預期部分是輸出中缺少 (1,2)，因為元素 1 被刪除了。可能出乎意料的是，外部迴圈在第一個元素之後停止。這是為什麼呢？

 

這背後的原因是上面描述的嵌套迴圈攻擊：在迴圈體運行之前，當前 IAP 位置和散列被備份到一個 HashPointer 中。在迴圈體之後，它將被恢復，但是只有當元素仍然存在時，否則將使用當前 IAP 位置 (無論它是什麼)。在上面的例子中，情況正是這樣：外部迴圈的當前元素已經被刪除，所以它將使用 IAP，而內部迴圈已經將 IAP 標記為 finished !

 

HashPointer 備份 + 恢復機制的另一個結果是，通過 reset() 等方法更改 IAP。通常不會影響 foreach。例如，下麵的代碼執行起來就像根本不存在 reset() 一樣：

 

$array = [1, 2, 3, 4, 5];

foreach ($array as &$value) {

var_dump($value);

reset($array);

}

// 輸出: 1, 2, 3, 4, 5

 

原因是，當 reset() 暫時修改 IAP 時，它將恢復到迴圈體後面的當前 foreach 元素。要強制 reset() 對迴圈產生影響，你必須刪除當前元素，這樣備份 / 恢復機制就會失敗：

 

$array = [1, 2, 3, 4, 5];
$ref =& $array;
foreach ($array as $value) {
    var_dump($value);
    unset($array[1]);
    reset($array);
}
// 輸出: 1, 1, 3, 4, 5

 

但是，這些例子仍是合理的。如果你還記得 HashPointer 還原使用指向元素及其散列的指針來確定它是否仍然存在，那麼真正的樂趣就開始了。但是：散列有衝突，指針可以重用！這意味著，通過仔細選擇數組鍵，我們可以讓 foreach 相信被刪除的元素仍然存在，因此它將直接跳轉到它。一個例子:

 

$array = ['EzEz' => 1, 'EzFY' => 2, 'FYEz' => 3];
$ref =& $array;
foreach ($array as $value) {
    unset($array['EzFY']);
    $array['FYFY'] = 4;
    reset($array);
    var_dump($value);
}
// 輸出: 1, 4

 

這裡根據前面的規則，我們通常期望輸出 1,1,3,4。實際情況上'FYFY' 具有與刪除的元素'FYFY' 相同的散列，而分配器恰好重用相同的記憶體位置來存儲元素。因此，foreach 最終直接跳轉到新插入的元素，從而縮短了迴圈。

在迴圈期間替換迭代實體

我想提到的最後一個奇怪的情況是，PHP 允許你在迴圈期間替換迭代實體。所以你可以開始在一個數組上迭代然後在中間用另一個數組替換。或者用一個對象來替換：

$arr = [1, 2, 3, 4, 5];
$obj = (object) [6, 7, 8, 9, 10];

$ref =& $arr;
foreach ($ref as $val) {
    echo "$val\n";
    if ($val == 3) {
        $ref = $obj;
    }
}
/* 輸出: 1 2 3 6 7 8 9 10 */

正如你在本例中所看到的，一旦替換髮生，PHP 將從頭開始迭代另一個實體。

PHP 7

散列表迭代器

 

如果你還記得，數組迭代的主要問題是如何處理迭代過程中元素的刪除。PHP 5 為此使用了一個內部數組指針 (IAP)，這有點不太理想，因為一個數組指針必須被拉伸以支持多個同時進行的 foreach 迴圈和與 reset() 等的交互。最重要的是。

 

PHP 7 使用了一種不同的方法，即支持創建任意數量的外部安全散列表迭代器。這些迭代器必須在數組中註冊，從這一點開始，它們具有與 IAP 相同的語義：如果刪除了一個數組元素，那麼指向該元素的所有 hashtable 迭代器都將被提升到下一個元素。

 

這意味著 foreach 將不再使用 IAP。foreach 迴圈絕對不會影響 current() 等的結果。它自己的行為永遠不會受到像 reset() 等函數的影響。

數組複製

 

PHP 5 和 PHP 7 之間的另一個重要更改與數組複製有關。現在 IAP 不再使用了，在所有情況下，按值數組迭代將只執行 refcount 增量 (而不是複製數組)。如果數組在 foreach 迴圈期間被修改，那麼此時將發生複製 (根據寫時複製)，而 foreach 將繼續處理舊數組。

 

在大多數情況下，這種更改是透明的，除了更好的性能之外沒有其他效果。但是，有一種情況會導致不同的行為，即數組前是一個引用：

 

$array = [1, 2, 3, 4, 5];
$ref = &$array;
foreach ($array as $val) {
    var_dump($val);
    $array[2] = 0;
}
/* 舊輸出: 1, 2, 0, 4, 5 */
/* 新輸出: 1, 2, 3, 4, 5 */

 

以前，引用數組的按值迭代是一種特殊情況。在本例中，沒有發生重覆，因此在迭代期間對數組的所有修改都將由迴圈反映出來。在 PHP 7 中，這種特殊情況消失了：數組的按值迭代將始終繼續處理原始元素，而不考慮迴圈期間的任何修改。

 

當然，這不適用於 by-reference 迭代。如果你通過引用進行迭代，那麼所有的修改都將被迴圈所反映。有趣的是，對於普通對象的按值迭代也是如此：

 

$obj = new stdClass;
$obj->foo = 1;
$obj->bar = 2;
foreach ($obj as $val) {
    var_dump($val);
    $obj->bar = 42;
}
/* 新舊輸出: 1, 42 */

 

這反映了對象的按句柄語義 (即，即使在按值上下文中，它們的行為也類似於引用)。

例子

 

讓我們考慮幾個例子，從你的測試用例開始：

 

測試用例 1 和 2 輸出相同：按值數組迭代始終在原始元素上工作。(在本例中，甚至 refcounting 和複製行為在 PHP 5 和 PHP 7 之間也是完全相同的)。

 

測試用例 3 的變化：Foreach 不再使用 IAP，因此 each() 不受迴圈影響。前後輸出一樣。

 

測試用例 4 和 5 保持不變：each() 和 reset() 將在更改 IAP 之前複製數組，而 foreach 仍然使用原始數組。(即使數組是共用的，IAP 的更改也無關緊要。)

 

第二組示例與 current() 在不同 reference/refcounting 配置下的行為有關。這不再有意義，因為 current() 完全不受迴圈影響，所以它的返回值總是保持不變。

 

然而，當考慮迭代過程中的修改時，我們得到了一些有趣的變化。我希望你會發現新的行為更加健全。 第一個例子：

 

$array = [1, 2, 3, 4, 5];
foreach ($array as &$v1) {
    foreach ($array as &$v2) {
        if ($v1 == 1 && $v2 == 1) {
            unset($array[1]);
        }
        echo "($v1, $v2)\n";
    }
}

// 舊輸出: (1, 1) (1, 3) (1, 4) (1, 5)
// 新輸出: (1, 1) (1, 3) (1, 4) (1, 5)
//        (3, 1) (3, 3) (3, 4) (3, 5)
//        (4, 1) (4, 3) (4, 4) (4, 5)
//        (5, 1) (5, 3) (5, 4) (5, 5)

 

如你所見，外部迴圈在第一次迭代之後不再中止。原因是現在兩個迴圈都有完全獨立的 hashtable 散列表迭代器，並且不再通過共用的 IAP 對兩個迴圈進行交叉污染。

 

現在修複的另外一個奇怪的邊緣現象是，當刪除並且添加恰好具有相同的哈希元素時，會得到奇怪的結果：

 

$array = ['EzEz' => 1, 'EzFY' => 2, 'FYEz' => 3];
foreach ($array as &$value) {
    unset($array['EzFY']);
    $array['FYFY'] = 4;
    var_dump($value);
}
// 舊輸出: 1, 4
// 新輸出: 1, 3, 4

 

之前的 HashPointer 恢復機制直接跳轉到新元素，因為它 “看起來” 和刪除的元素相同（由於哈希和指針衝突）。由於我們不再依賴於哈希元素，因此不再是一個問題。

 


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