发表于 2019-09-21 10:09:45   |   已被 访问: 1,152 次   |   分类于:   C语言   |   3 条评论

在C语言程序开发中，常常需要将 N 个字节从源内存段 pSrc 拷贝到目的内存段 pDest。稍稍有些经验的程序员一般都会调用C语言标准库函数 memcpy() 或者 memmove()，事实上，大多数程序员都会调用这两个库函数实现需求。

为什么逐项赋值没有memcpy() 快？

C语言程序员都是乐于思考的，在调用 memcpy() 函数实现内存拷贝时，往往会思考 memcpy() 函数的实现方式。在一些程序员看来，memcpy() 无非就是下面这样的逐项拷贝：

int i;
for(i=0; i<N; i++)
    *pDest++ = *pSrc++;

考虑到 memcpy() 函数可以接收任意类型的源内存段指针和目标内存段指针，用C语言来描述就是 memcpy() 函数接收的源内存段指针和目标内存段指针都是 void * 指针，因此可能还要多一步指针类型转换：

void my_memcpy(void* dst, void* src, unsigned int bytes)
{
  unsigned char* b_dst = (unsigned char*)dst;
  unsigned char* b_src = (unsigned char*)src;
  for (int i = 0; i < bytes; ++i)
    *b_dst++ = *b_src++;
}

这里转换为 char* 指针只仅作为示例，读者当然可以将其转换为其他类型指针。

乐于动手的C语言程序员一定自己尝试实现过自己的 memcpy() 函数，如果读者尝试过自己的实现，在性能测试中一定能够发现，上述实现的效率并没有 memcpy() 库函数的效率高，这是为什么呢？

memcpy() 函数使用的技巧

既然逐字节赋值拷贝的 my_memcpy() 效率比不上 memcpy() 函数，那么 memcpy() 函数一定使用了某些技巧，到底是什么技巧呢？

前文介绍的 my_memcpy() 实现是将接收到的指针转换成 char * 指针，逐字节拷贝的。但是 memcpy() 函数一般不使用字节指针，而是使用字指针。

看过我之前文章的读者应该明白，CPU 在处理数据时，如果数据严格按照数据总线宽度对齐，那么CPU才能最大效率处理数据。

事实上，memcpy() 函数的实现通常使用 SIMD 指令编写，这使得它能够一次操作 128 位数据。关于 SIMD 指令，以后有机会再讨论。现在读者只需知道，memcpy() 函数一次可以拷贝 16 字节的数据就可以了，这比一次只拷贝 1 字节的数据效率高多了。

改进 my_memcpy() 函数，提升效率的方向

C语言程序员在实际拷贝数据时，要拷贝的数据长度不一定是 16 字节的整数倍，所以 memcpy() 的实现要比 my_memcpy() 的实现复杂得多。

my_memcpy() 的第一个改进是在内存时按照本机字宽度（ 32位机器一般是4字节，64位机器一般是8字节）对齐要拷贝的数据，并且使用字指针而不是字节指针拷贝数据，相关的C语言代码如下：

void aligned_memory_copy(void* dst, void* src, unsigned int bytes)
{
  unsigned char* b_dst = (unsigned char*)dst;
  unsigned char* b_src = (unsigned char*)src;

  // Copy bytes to align source pointer
  while ((b_src & 0x3) != 0)
  {
    *b_dst++ = *b_src++;
    bytes--;
  }

  unsigned int* w_dst = (unsigned int*)b_dst;
  unsigned int* w_src = (unsigned int*)b_src;
  while (bytes >= 4)
  {
    *w_dst++ = *w_src++;
    bytes -= 4;
  }

  // Copy trailing bytes
  if (bytes > 0)
  {
    b_dst = (unsigned char*)w_dst;
    b_src = (unsigned char*)w_src;
    while (bytes > 0)
    {
      *b_dst++ = *b_src++;
      bytes--;
    }
  }
}

源内存段指针或者目标内存段指针是否正确对齐，在不同架构的机器上将执行不同的操作。例如，在 XScale 处理器上，通过对齐目标内存段指针，在实际性能测试中，我获得了更高的内存拷贝效率。

若想进一步提升内存拷贝的效率，可以将一些C语言代码中的循环展开，便于提高 CPU 缓存的命中率。不过这种方式带来的效率提升会因体系架构的不同而不同，因为 CPU 加载和存储数据的方式可能是不同的。

还有一种提升效率的方式，即手动编写 CPU 加载和存储指令，以控制数据吞吐量。不过这种方式需要借助汇编指令实现，C语言暂时还没有能力实现这样的精细操作。

容易看出，在C语言程序开发中，简单的内存拷贝也并不简单，我们有着相当多的优化空间。C语言程序的灵魂之一就是高效率，而C语言本身提供的都是最基础的操作，因此它是一种相当重视设计的程序语言，作为C语言程序员，我们在设计某个方法时，应该总是想清楚如何才能写出更高效的程序。