PHPの配列とデータ構造 PHPerKaigi 2023 (2023/03/25)

meihei / 江間 洋平 所属 株式会社PR TIMES 開発本部 Backend Engineer (PHP/Python/Go) 趣味 サイクリング（クロスバイク） VTuberの配信を流して生きている SNS Twitter: https://twitter.com/app1e_s GitHub: https://github.com/meihei3 自己紹介 2

ゴール 「PHPの配列」というデータ構造を理解し、 「PHPの配列」の内部実装を理解する。 3

アジェンダ 1. データ構造とPHPの配列 2. PHPの配列で使われているデータ構造 3. PHPの配列の内部実装 4. まとめ 4

アジェンダ 1. データ構造とPHPの配列 2. PHPの配列で使われているデータ構造 3. PHPの配列の内部実装 4. まとめ 5

データ構造とは何か 6

データ構造とは データ構造とは、データの集まりをコンピュータプログ ラムで扱いやすいように、一定の形式で格納したもの。 特定の問題を解く手順（アルゴリズム）には、それぞれ に適したデータ構造がある。 7 引用: IT用語辞典 e-Words, https://e-words.jp/w/%E3%83%87%E3%83%BC%E3%82%BF%E6%A7%8B%E9%80%A0.html

インターフェースと実装 ● インターフェース (interface) ○ あるデータ構造がサポートしている操作一式と、それ らの操作の意味を定義する ○ 抽象データ型とも呼ばれる ● 実装 (implementation) ○ データ構造の内部表現と、実際に操作を行うアルゴリ ズムの定義が含まれる ○ １つのインターフェースに複数の実装があり得る 8

例：Queue 　 9

配列とは何か 10

配列とは 配列とは、同一の型のデータを メモリ上に一列に並べたもの。 右図は配列の典型的な例とし て、C言語のchar型の配列。 11

PHPの配列とは何か 12

PHPの配列の公式ドキュメント ● インターフェース：そのデータ構造が何をするのか ● 実装：データ構造がそれをそのようにやるのか 13

PHPの配列と真の配列を データ構造として見た時 これらはイコールの関係ではない 14

✅ PHPの配列は真の配列としても使う ことも出来る ❌ PHPの配列は真の配列である ❌ PHPは真の配列が使えない PHP array ≠ true array 15 ※1 ここではPHP≧7.xの説明をしています。 ※2 この図はPHPの配列（配列型）において、それを真の配列としても使えることを表しています。PHP 言語で使用可能な真の配列は、PHPの配列（配列型）以外にも存在することに留意してください。

PHPの配列は真の配列よりも 抽象度の高いデータ構造として理解する 16

データ構造：PHPの配列 　 17 インターフェース 実装 ● 順序付けられている ● 辞書操作が可能 ○ INSERT ○ SEARCH ○ DELETE この後解説します。 PHPの配列をデータ構造と見なしたとき、より詳細なインターフェースとは公式ドキュメントに書かれ ている配列の使用方法です。

アジェンダ 1. データ構造とPHPの配列 2. PHPの配列で使われているデータ構造 3. PHPの配列の内部実装 4. まとめ 18

PHPの配列を構成しているデータ構造 PHPの配列を理解する上で、まず理解しておく必要があ るデータ構造。（実装） ● 配列 ● 連結リスト（linked list） ● ハッシュ表（Hash tables） 19 ※ 内部実装はバージョンによって異なるので、現在のPHPでこれらすべてが使われるわけではありませ ん。詳細は後ろのページで解説します。

PHPの配列を構成しているデータ構造 PHPの配列を理解する上で、まず理解しておく必要があ るデータ構造。（実装） ● 配列 ● 連結リスト（linked list） ● ハッシュ表（Hash tables） 20 ※ 内部実装はバージョンによって異なるので、現在のPHPでこれらすべてが使われるわけではありませ ん。詳細は後ろのページで解説します。

連結リスト（linked list） 各要素がその後ろの要素へのリンク（ポインタ）を持つ データ構造。 21 例: [643, 46, 112, 1255]と並んだデータの場合

双方向連結リスト（doubly linked list） 各要素が前後の要素へのリンク（ポインタ）を持つデー タ構造。 22 例: [643, 46, 112, 1255]と並んだデータの場合

ハッシュ表（Hash tables） 広範囲に及ぶキーのうち、実際に格納されるキーが少数 の場合に適したデータ構造。 キーからハッシュ関数を用いて算出したハッシュ値とい う整数を配列の添字として使う。 ハッシュ値は衝突することがある。その解決方法として チェイン法がある。 23 ※ ハッシュ値が衝突した場合の解決方法はチェイン法以外にもある。しかしPHPの配列ではチェイン法 を使っているので、本発表ではチェイン法だけを説明している。

ハッシュ表（Hash tables） 24 例: [“user_id”=>643, “count”=>46, “company_id”=>112, “release_id”=>1255] とkey/valueとなるデータの場合

PHPの配列はバージョン によって配列の実装が異なる 25

PHPのバージョンと配列の実装 ● PHP ≦ 5.x ○ ハッシュ表と双方向リストを合わせた構造 ○ 常にハッシュ表を使った連想配列 ● PHP ≧ 7.x ○ ハッシュ表と配列を合わせた構造 ○ キーが0からの添字になっていればハッシュ表は使わ れず、配列となる 26

PHP ≦ 5.x の配列 あああ　 27 インターフェース 実装 ● 順序付けられている ● 辞書操作が可能 ○ INSERT ○ SEARCH ○ DELETE 以下2つのデータ構造を組み合わせ た実装 ● 双方向連結リスト ● ハッシュ表 実際のデータは双方向連結リストか ら参照されている

PHP ≧ 7.x の配列 　 28 インターフェース 実装 ● 順序付けられている ● 辞書操作が可能 ○ INSERT ○ SEARCH ○ DELETE 以下2つのデータ構造を組み合わせ た実装 ● 配列 ● ハッシュ表 実際のデータは配列上に並べられて いる

アジェンダ 1. データ構造とPHPの配列 2. PHPの配列で使われているデータ構造 3. PHPの配列の内部実装 4. まとめ 29

配列を作る要素 30

Zval構造体 PHPの1つの値を表現する構造体。詳しい解説は省略。 31

Bucket構造体（PHP ≦ 5.x） PHPの配列の1つの要素は Bucket という構造体であ り、値(zval)はそこから参照される。 32

PHP ≦ 5.x の配列の内部実装 33

サンプルの配列 $arr = [ “user_id” => 643, “count” => 46, “company_id” => 112, “release_id” => 1255, ]; 34

PHP ≦ 5.x の配列 双方向連結リストを使って順序付けを実装 35 例: [“user_id”=>643, “count”=>46, “company_id”=>112, “release_id”=>1255] となる配列の場合

PHP ≦ 5.x の配列 ハッシュ表を使って SEARCH (key=>value)を実装 36 例: [“user_id”=>643, “count”=>46, “company_id”=>112, “release_id”=>1255] となる配列の場合

PHP ≧ 7.x の配列の内部実装 37

● Packed array ○ 配列のキーが0からの昇順の整数の場合、自動的にこ のデータ構造になる。 ○ キーをそのまま内部の配列の添字とするので、ハッ シュ表を使わない。 ● Hash array ○ Packed arrayの条件に満たない場合、このデータ構造 になる。 2つのデータ構造の実装方法 38 ※ 厳密にはPacked arrayの定義では、キーがTableSizeを下回っている必要がある。

配列を作る要素 39

PHP ≧ 7.xで変更があったが、詳しい解説は省略。 Zval構造体 40

PHP ≧ 7.x になると Bucket に直接値(zval)がセットさ れるように。 Bucket構造体（PHP ≧ 7.x） 41

Bucketはメモリ上に並べられる。配列へ追加される順に 並ぶので、順序付けを保証。 42 PHP ≧ 7.x の配列の実装基礎

● Packed array ○ 配列のキーが0からの昇順の整数の場合、自動的にこ のデータ構造になる。 ○ キーをそのまま内部の配列の添字とするので、ハッ シュ表を使わない。 ● Hash array ○ Packed arrayの条件に満たない場合、このデータ構造 になる。 2つのデータ構造の実装方法 43 ※ 厳密にはPacked arrayの定義では、キーがTableSizeを下回っている必要がある。

サンプルの配列（Packed array） $arr = [ 643, 46, 112, 1255, ]; 44

45 例: [643, 46, 112, 1255] となる配列の場合 Packed array (PHP ≦ 8.1)

46 Use more compact representation for packed arrays. #7491 https://github.com/php/php-src/pull/7491 Packed array (PHP ≧ 8.2)

● Packed array ○ 配列のキーが0からの昇順の整数の場合、自動的にこ のデータ構造になる。 ○ キーをそのまま内部の配列の添字とするので、ハッ シュ表を使わない。 ● Hash array ○ Packed arrayの条件に満たない場合、このデータ構造 になる。 2つのデータ構造の実装方法 47 ※ 厳密にはPacked arrayの定義では、キーがTableSizeを下回っている必要がある。

　 48 ハッシュ表と配列 TableSizeが8なので、`hash(x) mod 8` をしている data array 動的に配列を生成しているが、効率化のため２の冪乗でサイズを確保している。

　 49 ハッシュ表と配列 hash table

50 Hash array

51 Hash array（簡易図） 備考: なぜPHPの配列の内部構造で使われるハッシュテーブルは、OR演算子でビットマスク を計算しているのか？ https://zenn.dev/meihei/articles/e5aa05a0e6c82e

52 Hash array（簡易図） 備考: なぜPHPの配列の内部構造で使われるハッシュテーブルは、OR演算子でビットマスク を計算しているのか？ https://zenn.dev/meihei/articles/e5aa05a0e6c82e

アジェンダ 1. データ構造とPHPの配列 2. PHPの配列で使われているデータ構造 3. PHPの配列の内部実装（PHP ≦ 5.x） 4. まとめ 53

PHPの配列は「PHPの配列」というデータ構造として理 解する。 内部実装は PHP ≦ 5.x と PHP ≧ 7.x で大きく異なり、 7.0 以降は真の配列を使うようになった 現在使われている PHP では”Packed array”と”Hash array”が使われており、PHP 8.2 で Packed array は 更に簡潔なデータ構造になった。 まとめ 54

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参考文献 1. http://www.akita-pu.ac.jp/system/elect/ins/kusakari/japanese/teaching/SoftTech/2005/note/9/index.html 2. http://lise-sophia.net/kktm/Essay/abstract.htm 3. https://eecs280staff.github.io/notes/21_Maps_Auto_Range-BasedForLoops.html 4. https://uuair.repo.nii.ac.jp/?action=pages_view_main&active_action=repository_view_main_item_detail& item_id=12205&item_no=1&page_id=13&block_id=58 5. https://www.geeksforgeeks.org/array-data-structure/ 6. https://www.slideshare.net/hnw/phpcon-kansai20150530 7. https://hnw.hatenablog.com/entry/2021/01/10/162018 8. https://www.slideshare.net/patrick.allaert/mastering-php-data-structure-102-php-day-2012 9. https://www.zend.com/resources/php-extensions/php-arrays 10. https://blog.freedom-man.com/php_src_6 11. https://qiita.com/tadsan/items/3c61c8e5db24862c86c8 12. https://www.npopov.com/2012/03/28/Understanding-PHPs-internal-array-implementation.html 13. https://www.npopov.com/2011/12/12/How-big-are-PHP-arrays-really-Hint-BIG.html 14. https://www.npopov.com/2014/12/22/PHPs-new-hashtable-implementation.html 15. https://www.phpinternalsbook.com/index.html 56

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