PHP 內核：foreach 是如何作業的（二）-有解無憂

PHP 內核：foreach 是如何作業的（一）

PHP 5

內部陣列指標和散列指標

PHP 5 中的陣列有一個專用的 “內部陣列指標”（IAP），它適當地支持修改：每當洗掉一個元素時，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，但還有一個復雜因素：只有一個 IAP，但是一個陣列可以是多個 foreach 回圈的一部分：

// 在這里使用by-ref迭代來確保它真的
// 兩個回圈中的相同陣列而不是副本
foreach ($arr as &$v1) {
    foreach ($arr as &$v) {
        // ...
    }
}

為了支持只有一個內部陣列指標的兩個同時回圈，foreach 執行以下 shenanigans：在執行回圈體之前，foreach 將備份指向當前元素及其散列的指標到每個 foreachHashPointer，回圈體運行后，如果 IAP 仍然存在，IAP 將被設定回該元素，但是，如果元素已被洗掉，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，其中一些我將在下面演示，

陣列復制

IAP 是陣列的一個可見特性 (通過 current 系列函式公開)，因此 IAP 計數的更改是在寫時復制語意下的修改，不幸的是，這意味著 foreach 在許多情況下被迫復制它正在迭代的陣列，具體條件是：

陣列不是參考（is_ref = 0），如果它是一個參考，那么對它的更改將被傳播，因此不應該復制它，
陣列的 refcount>1，如果 refcount 是 1，那么此陣列是不共享的，我們可以直接修改它，

如果陣列沒有被復制 (is_ref=0, refcount=1)，那么只有它的 refcount 會被增加 (*)，此外，如果使用帶參考的 foreach，那么 (可能重復的) 陣列將轉換為參考，

如下代碼作為引起復制的示例:

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

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

在這里，$arr 將被復制以防止 $arr 上的 IAP 更改泄漏到 $outerArr，就上述條件而言，陣列不是參考（is_ref = 0），并且在兩個地方使用（refcount = 2），這個要求是不幸的，也是次優實作的工件（這里不需要修改迭代，因此我們不需要首先使用 IAP），

（*）增加 refcount 聽起來無害，但違反了寫時復制（COW）語意：這意味著我們要修改 refcount = 2 陣列的 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)，因為迭代陣列上的 IAP 更改將是可見的 -- 但只有在陣列上的第一個非 IAP 修改之前，相反，這三個 “有效” 選項是：a) 始終復制，b) 不增加 refcount，從而允許在回圈中任意修改迭代陣列，c) 完全不使用 IAP (PHP 7 解決方案)，

位置發展順序

要正確理解下面的代碼示例，你必須了解最后一個實作細節，在偽代碼中，回圈遍歷某些資料結構的 “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，陣列指標在回圈體運行之前已經向前移動了，這意味著，當回圈體處理元素 $i 時，IAP 已經位于元素 $i+1，這就是為什么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：你的測驗用例

上面描述的三個方面應該可以讓你大致了解 foreach 實作的特性，我們可以繼續討論一些例子，

此時，測驗用例的行為更容易理解：

在測驗用例 1 和 2 中，$array 以 refcount = 1 開始，因此它不會被 foreach 復制：只有 refcount 才會遞增，當回圈體隨后修改陣列（在該點處具有 refcount = 2）時，將在該點處進行復制， Foreach 將繼續處理未修改的 $array 副本，
在測驗用例 3 中，陣列沒有再被復制，因此 foreach 將修改 $array 變數的 IAP，在迭代結束時，IAP 為 NULL（意味著迭代已完成），其中 each 回傳 false，
在測驗用例 4 和 5 中，each 和 reset 都是參考函式，$array 在傳遞給它們時有一個 refcount = 2，所以必須復制它，因此，foreach 將再次處理一個單獨的陣列，

例子：`current` 在 foreach 中的作用

顯示各種復制行為的一個好方法是觀察 foreach 回圈中 current() 函式的行為，看如下這個例子：

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

在這里，你應該知道 current() 是一個 by-ref 函式 (實際上是：preferences-ref)，即使它沒有修改陣列，它必須很好地處理所有其他函式，如 next，它們都是 by-ref，通過參考傳遞意味著陣列必須是分開的，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陣列指標，而不是之后，因此，即使代碼位于第一個元素，foreach 已經將指標指向第二個元素，

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 */

這里我們有 is_ref=1 的情況，所以陣列沒有被復制 (就像上面那樣)，但是現在它是一個參考，當傳遞給 by-ref current() 函式時不再需要復制陣列，因此，current() 和 foreach 作業在同一個陣列上，不過，由于 foreach 指向指標的方式，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 */

這里重要的部分是，當通過參考迭代 $array 時，foreach 會將 $array 設定為 is_ref=1，所以基本上情況與上面相同，

另一個小變化，這次我們將陣列分配給另一個變數:

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

這里 $array 的 refcount 在回圈開始時是 2，所以這一次我們必須在前面進行復制，因此，$array 和 foreach 使用的陣列從一開始就完全分離，這就是為什么 IAP 的位置在回圈之前的任何位置 (在本例中是在第一個位置)，

例子：迭代期間的修改

嘗試理解迭代程序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，

考慮相同陣列上的這些嵌套回圈 (其中 by-ref 迭代用于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)

這里的預期部分是輸出中缺少 (1,2)，因為元素 1 被洗掉了，可能出乎意料的是，外部回圈在第一個元素之后停止，這是為什么呢？

這背后的原因是上面描述的嵌套回圈攻擊：在回圈體運行之前，當前 IAP 位置和散列被備份到一個 HashPointer 中，在回圈體之后，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 (無論它是什么)，在上面的例子中，情況正是這樣：外部回圈的當前元素已經被洗掉，所以它將使用 IAP，而內部回圈已經將 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，下面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，它將恢復到回圈體后面的當前 foreach 元素，要強制 reset() 對回圈產生影響，你必須洗掉當前元素，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標來確定它是否仍然存在，那么真正的樂趣就開始了，但是：散列有沖突，指標可以重用！這意味著，通過仔細選擇陣列鍵，我們可以讓 foreach 相信被洗掉的元素仍然存在，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

這里根據前面的規則，我們通常期望輸出 1,1,3,4，實際情況上'FYFY' 具有與洗掉的元素'FYFY' 相同的散列，而分配器恰好重用相同的記憶體位置來存盤元素，因此，foreach 最終直接跳轉到新插入的元素，從而縮短了回圈，

在回圈期間替換迭代物體

我想提到的最后一個奇怪的情況是，PHP 允許你在回圈期間替換迭代物體，所以你可以開始在一個陣列上迭代然后在中間用另一個陣列替換，或者用一個物件來替換：

$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，一旦替換發生，PHP 將從頭開始迭代另一個物體，

PHP 7

散串列迭代器

如果你還記得，陣列迭代的主要問題是如何處理迭代程序中元素的洗掉，PHP 5 為此使用了一個內部陣列指標 (IAP)，這有點不太理想，因為一個陣列指標必須被拉伸以支持多個同時進行的 foreach 回圈和與 reset() 等的互動，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串列迭代器，這些迭代器必須在陣列中注冊，從這一點開始，它們具有與 IAP 相同的語意：如果洗掉了一個陣列元素，那么指向該元素的所有 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 回圈絕對不會影響 current() 等的結果，它自己的行為永遠不會受到像 reset() 等函式的影響，

陣列復制

PHP 5 和 PHP 7 之間的另一個重要更改與陣列復制有關，現在 IAP 不再使用了，在所有情況下，按值陣列迭代將只執行 refcount 增量 (而不是復制陣列)，如果陣列在 foreach 回圈期間被修改，那么此時將發生復制 (根據寫時復制)，而 foreach 將繼續處理舊陣列，

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，即陣列前是一個參考：

$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，參考陣列的按值迭代是一種特殊情況，在本例中，沒有發生重復，因此在迭代期間對陣列的所有修改都將由回圈反映出來，在 PHP 7 中，這種特殊情況消失了：陣列的按值迭代將始終繼續處理原始元素，而不考慮回圈期間的任何修改，

當然，這不適用于 by-reference 迭代，如果你通過參考進行迭代，那么所有的修改都將被回圈所反映，有趣的是，對于普通物件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 */

這反映了物件的按句柄語意 (即，即使在按值背景關系中，它們的行為也類似于參考)，

例子

讓我們考慮幾個例子，從你的測驗用例開始：

測驗用例 1 和 2 輸出相同：按值陣列迭代始終在原始元素上作業，(在本例中，甚至 refcounting 和復制行為在 PHP 5 和 PHP 7 之間也是完全相同的)，

測驗用例 3 的變化：Foreach 不再使用 IAP，因此 each() 不受回圈影響，前后輸出一樣，

測驗用例 4 和 5 保持不變：each() 和 reset() 將在更改 IAP 之前復制陣列，而 foreach 仍然使用原始陣列，(即使陣列是共享的，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() 完全不受回圈影響，所以它的回傳值總是保持不變，

然而，當考慮迭代程序中的修改時，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，外部回圈在第一次迭代之后不再中止，原因是現在兩個回圈都有完全獨立的 hashtable 散串列迭代器，并且不再通過共享的 IAP 對兩個回圈進行交叉污染，

現在修復的另外一個奇怪的邊緣現象是，當洗掉并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” 和洗掉的元素相同（由于哈希和指標沖突），由于我們不再依賴于哈希元素，因此不再是一個問題，

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散串列迭代器

陣列復制

例子

例子：`current` 在 foreach 中的作用