PHP 内核：foreach 是如何工作的（二）

柔光的暖阳◎ 2023-02-10 08:20 155阅读 0赞

[PHP 内核：foreach 是如何工作的（一）][PHP _foreach]

## PHP 5 ##

**内部数组指针和散列指针**

PHP 5 中的数组有一个专用的 “内部数组指针”（IAP），它适当地支持修改：每当删除一个元素时，都会检查 IAP 是否指向该元素。 如果是，则转发到下一个元素。

虽然 foreach 确实使用了 IAP，但还有一个复杂因素：只有一个 IAP，但是一个数组可以是多个 foreach 循环的一部分：

// 在这里使用by-ref迭代来确保它真的
    // 两个循环中的相同数组而不是副本
    foreach ($arr as &$v1) {
        foreach ($arr as &$v) {
            // ...
        }
    }

为了支持只有一个内部数组指针的两个同时循环，foreach 执行以下 shenanigans：在执行循环体之前，foreach 将备份指向当前元素及其散列的指针到每个 foreachHashPointer。循环体运行后，如果 IAP 仍然存在，IAP 将被设置回该元素。 但是，如果元素已被删除，我们将只在 IAP 当前所在的位置使用。这个计划基本上是可行的，但是你可以从中获得很多奇怪的情况，其中一些我将在下面演示。

## 数组复制 ##

IAP 是数组的一个可见特性 (通过 current 系列函数公开)，因此 IAP 计数的更改是在写时复制语义下的修改。不幸的是，这意味着 foreach 在许多情况下被迫复制它正在迭代的数组。 具体条件是：

1.  数组不是引用（is\_ref = 0）。 如果它是一个引用，那么对它的更改将被传播，因此不应该复制它。
2.  数组的 refcount>1。如果 refcount 是 1，那么此数组是不共享的，我们可以直接修改它。

如果数组没有被复制 (is\_ref=0, refcount=1)，那么只有它的 `refcount` 会被增加 (\*)。此外，如果使用带引用的 `foreach`，那么 (可能重复的) 数组将转换为引用。

如下代码作为引起复制的示例:

function iterate($arr) {
        foreach ($arr as $v) {}
    }
    
    $outerArr = [0, 1, 2, 3, 4];
    iterate($outerArr);

在这里，$arr 将被复制以防止 $arr 上的 IAP 更改泄漏到 $outerArr。 就上述条件而言，数组不是引用（is\_ref = 0），并且在两个地方使用（refcount = 2）。 这个要求是不幸的，也是次优实现的工件（这里不需要修改迭代，因此我们不需要首先使用 IAP）。

（\*）增加 refcount 听起来无害，但违反了写时复制（COW）语义：这意味着我们要修改 refcount = 2 数组的 IAP，而 COW 则要求只能执行修改 on refcount = 1 值。这种违反会导致用户可见的行为更改 (而 COW 通常是透明的)，因为迭代数组上的 IAP 更改将是可见的 -- 但只有在数组上的第一个非 IAP 修改之前。相反，这三个 “有效” 选项是：a) 始终复制，b) 不增加 refcount，从而允许在循环中任意修改迭代数组，c) 完全不使用 IAP (PHP 7 解决方案)。

### 位置发展顺序 ###

要正确理解下面的代码示例，你必须了解最后一个实现细节。在伪代码中，循环遍历某些数据结构的 “正常” 方法是这样的：

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

然而，`foreach`，作为一个相当特殊的 snowflake，选择做的事情略有不同：

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

也就是说，数组指针 在循环体运行之前已经向前移动了。这意味着，当循环体处理元素 $i 时，IAP 已经位于元素 $i+1。这就是为什么在迭代期间显示修改的代码示例总是 unset下一个元素，而不是当前元素的原因。

### 例子：你的测试用例 ###

上面描述的三个方面应该可以让你大致了解 `foreach` 实现的特性，我们可以继续讨论一些例子。

此时，测试用例的行为更容易理解：

*  在测试用例 1 和 2 中，$array 以 refcount = 1 开始，因此它不会被 foreach 复制：只有 refcount 才会递增。 当循环体随后修改数组（在该点处具有 refcount = 2）时，将在该点处进行复制。 Foreach 将继续处理未修改的 $array 副本。
 *  在测试用例 3 中，数组没有再被复制，因此 foreach 将修改 $array 变量的 IAP。 在迭代结束时，IAP 为 NULL（意味着迭代已完成），其中 each 返回 false。
 *  在测试用例 4 和 5 中，each 和 reset 都是引用函数。$array 在传递给它们时有一个 refcount = 2，所以必须复制它。因此，foreach 将再次处理一个单独的数组。

### 例子：`current` 在 foreach 中的作用 ###

显示各种复制行为的一个好方法是观察 `foreach` 循环中 `current()` 函数的行为。看如下这个例子：

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

在这里，你应该知道 current() 是一个 by-ref 函数 (实际上是：preferences-ref)，即使它没有修改数组。它必须很好地处理所有其他函数，如 next，它们都是 by-ref。通过引用传递意味着数组必须是分开的，因此 $array 和 foreach-array 将是不同的。你得到是 2 而不是 1 的原因也在上面提到过：foreach在运行用户代码之前指向数组指针，而不是之后。因此，即使代码位于第一个元素，foreach 已经将指针指向第二个元素。

现在让我们尝试一下小修改：

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

这里我们有 is\_ref=1 的情况，所以数组没有被复制 (就像上面那样)。但是现在它是一个引用，当传递给 by-ref current() 函数时不再需要复制数组。因此，current() 和 foreach 工作在同一个数组上。不过，由于 foreach 指向指针的方式，你仍可以看到 off-by-one 行为。

当执行 by-ref 迭代时，你会得到相同的行为:

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

这里重要的部分是，当通过引用迭代 $array 时，foreach 会将 $array 设置为 is\_ref=1，所以基本上情况与上面相同。

另一个小变化，这次我们将数组分配给另一个变量:

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

这里 $array 的 refcount 在循环开始时是 2，所以这一次我们必须在前面进行复制。因此，$array 和 foreach 使用的数组从一开始就完全分离。这就是为什么 IAP 的位置在循环之前的任何位置 (在本例中是在第一个位置)。

## 例子：迭代期间的修改 ##

尝试理解迭代过程中的修改是我们所有 foreach 问题的起源，因此我们可以拿一些例子来考虑。

考虑相同数组上的这些嵌套循环 (其中 by-ref 迭代用于确保它确实是相同的)：

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

这里的预期部分是输出中缺少 (1,2)，因为元素 1 被删除了。可能出乎意料的是，外部循环在第一个元素之后停止。这是为什么呢？

这背后的原因是上面描述的嵌套循环攻击：在循环体运行之前，当前 IAP 位置和散列被备份到一个 HashPointer 中。在循环体之后，它将被恢复，但是只有当元素仍然存在时，否则将使用当前 IAP 位置 (无论它是什么)。在上面的例子中，情况正是这样：外部循环的当前元素已经被删除，所以它将使用 IAP，而内部循环已经将 IAP 标记为 finished !

HashPointer 备份 + 恢复机制的另一个结果是，通过 reset() 等方法更改 IAP。通常不会影响 foreach。例如，下面的代码执行起来就像根本不存在 reset() 一样：

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

foreach ($array as &$value) \{

var\_dump($value);

reset($array);

// 输出: 1, 2, 3, 4, 5

原因是，当 reset() 暂时修改 IAP 时，它将恢复到循环体后面的当前 foreach 元素。要强制 reset() 对循环产生影响，你必须删除当前元素，这样备份 / 恢复机制就会失败：

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

但是，这些例子仍是合理的。如果你还记得 HashPointer 还原使用指向元素及其散列的指针来确定它是否仍然存在，那么真正的乐趣就开始了。但是：散列有冲突，指针可以重用！这意味着，通过仔细选择数组键，我们可以让 foreach 相信被删除的元素仍然存在，因此它将直接跳转到它。一个例子:

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

这里根据前面的规则，我们通常期望输出 1,1,3,4。实际情况上'FYFY' 具有与删除的元素'FYFY' 相同的散列，而分配器恰好重用相同的内存位置来存储元素。因此，foreach 最终直接跳转到新插入的元素，从而缩短了循环。

### 在循环期间替换迭代实体 ###

我想提到的最后一个奇怪的情况是，PHP 允许你在循环期间替换迭代实体。所以你可以开始在一个数组上迭代然后在中间用另一个数组替换。或者用一个对象来替换：

$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;
        }
    }
    /* 输出: 1 2 3 6 7 8 9 10 */

正如你在本例中所看到的，一旦替换发生，PHP 将从头开始迭代另一个实体。

## PHP 7 ##

## 散列表迭代器 ##

如果你还记得，数组迭代的主要问题是如何处理迭代过程中元素的删除。PHP 5 为此使用了一个内部数组指针 (IAP)，这有点不太理想，因为一个数组指针必须被拉伸以支持多个同时进行的 foreach 循环和与 reset() 等的交互。最重要的是。

PHP 7 使用了一种不同的方法，即支持创建任意数量的外部安全散列表迭代器。这些迭代器必须在数组中注册，从这一点开始，它们具有与 IAP 相同的语义：如果删除了一个数组元素，那么指向该元素的所有 hashtable 迭代器都将被提升到下一个元素。

这意味着 foreach 将不再使用 IAP。foreach 循环绝对不会影响 current() 等的结果。它自己的行为永远不会受到像 reset() 等函数的影响。

## 数组复制 ##

PHP 5 和 PHP 7 之间的另一个重要更改与数组复制有关。现在 IAP 不再使用了，在所有情况下，按值数组迭代将只执行 refcount 增量 (而不是复制数组)。如果数组在 foreach 循环期间被修改，那么此时将发生复制 (根据写时复制)，而 foreach 将继续处理旧数组。

在大多数情况下，这种更改是透明的，除了更好的性能之外没有其他效果。但是，有一种情况会导致不同的行为，即数组前是一个引用：

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

以前，引用数组的按值迭代是一种特殊情况。在本例中，没有发生重复，因此在迭代期间对数组的所有修改都将由循环反映出来。在 PHP 7 中，这种特殊情况消失了：数组的按值迭代将始终继续处理原始元素，而不考虑循环期间的任何修改。

当然，这不适用于 by-reference 迭代。如果你通过引用进行迭代，那么所有的修改都将被循环所反映。有趣的是，对于普通对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;
    }
    /* 新旧输出: 1, 42 */

这反映了对象的按句柄语义 (即，即使在按值上下文中，它们的行为也类似于引用)。

## 例子 ##

让我们考虑几个例子，从你的测试用例开始：

测试用例 1 和 2 输出相同：按值数组迭代始终在原始元素上工作。(在本例中，甚至 refcounting 和复制行为在 PHP 5 和 PHP 7 之间也是完全相同的)。

测试用例 3 的变化：Foreach 不再使用 IAP，因此 each() 不受循环影响。前后输出一样。

测试用例 4 和 5 保持不变：each() 和 reset() 将在更改 IAP 之前复制数组，而 foreach 仍然使用原始数组。(即使数组是共享的，IAP 的更改也无关紧要。)

第二组示例与 current() 在不同 reference/refcounting 配置下的行为有关。这不再有意义，因为 current() 完全不受循环影响，所以它的返回值总是保持不变。

然而，当考虑迭代过程中的修改时，我们得到了一些有趣的变化。我希望你会发现新的行为更加健全。 第一个例子：

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

如你所见，外部循环在第一次迭代之后不再中止。原因是现在两个循环都有完全独立的 hashtable 散列表迭代器，并且不再通过共享的 IAP 对两个循环进行交叉污染。

现在修复的另外一个奇怪的边缘现象是，当删除并且添加恰好具有相同的哈希元素时，会得到奇怪的结果：

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

之前的 HashPointer 恢复机制直接跳转到新元素，因为它 “看起来” 和删除的元素相同（由于哈希和指针冲突）。由于我们不再依赖于哈希元素，因此不再是一个问题。

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[PHP _foreach]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/142299961
[T3-T4_PHP]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/102278033
[Link 1]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//jq.qq.com/%3F_wv%3D1027%26k%3D5kN6y8c