如何编写更好的strlen函数？答案

【问题标题】：How to write a better strlen function?如何编写更好的strlen函数？
【发布时间】：2011-09-28 21:15:42
【问题描述】：

我正在阅读“Write Great Code Volume 2”，它显示了以下 strlen 实施：

int myStrlen( char *s )
{
    char *start;
    start = s;
    while( *s != 0 )
    {
        ++s;
    }
    return s - start;
}

这本书说这种实现对于没有经验的 C 程序员来说是典型的。在过去的 11 年里，我一直在用 C 编写代码，但我看不出如何在 C 中编写比这更好的函数（我可以想到在汇编中编写更好的东西）。怎么可能用 C 写出比这更好的代码呢？我查看了 glibc 中 strlen 函数的标准库实现，但我无法理解其中的大部分内容。在哪里可以找到有关如何编写高度优化的代码的更好信息？

【问题讨论】：

您确定这是优化问题吗？还是只是标准的安全问题？
@Victor 不要相信你读到的一切。该功能很快足够。
我曾经在一个 i386 系统的汇编程序中编写了strlen()，该系统使用 CPU 字符串 (REP) 操作码，运行速度比优化的 C 代码快 6 倍。
@Loadmaster：你能把这段代码贴出来吗？
我反对 ptrdiff_t 到 int 的演员阵容，是的，你可能没有将 2GB 字符串传递给 strlen()，但它仍然很草率。此外，编译器可能会从int i=0; while(s[i]) i++; return i; 生成更好的代码，因为它可以更多地了解您正在使用指针做什么（即它可以更好地分析该循环）。

标签： c string optimization pointers c-strings

【解决方案1】：

来自Optimising strlen()，Colm MacCarthaigh 的博文：

不幸的是，在 C 中，我们注定要实现 O(n)，最好的情况，但我们还没有完成……我们可以对 n 的大小做一些事情。

它提供了一个很好的例子，说明您可以在哪些方向上加快速度。以及它的另一个引述

有时速度真的很快会让你真的很疯狂。

【讨论】：

【解决方案2】：

维克多，看看这个：
http://en.wikipedia.org/wiki/Strlen#Implementation

附：你不理解glibc版本的原因可能是因为它使用位移来查找\0。

【讨论】：

我的猜测是，使用适度的编译器，这将产生与 OPs 实现完全相同相同的字节码...
@Martin：你不能检查一个“单词”与零，这是行不通的
@Victor：对不起，我不是故意要诋毁你的编程能力。如果您正在寻找 glibc 实现的解释，请发布一个问题，我相信比我更聪明的人能够解释它。
没问题，我没有被冒犯，我只是在评论。
提到的特殊情况 x86 指令实际上比现代 CPU IIRC 上的循环慢

【解决方案3】：

对于初学者来说，这对于像 UTF-8 这样的编码毫无价值...也就是说，计算 UTF-8 字符串中的字符数更复杂，而字节数当然同样容易计算计算，比如说，一个 ASCII 字符串。

通常，您可以通过读入更大的寄存器在某些平台上进行优化。由于到目前为止发布的其他链接没有这样的示例，这里有一些低端的伪伪代码：

int size = 0;
int x;
int *caststring = (int *) yourstring;
while (int x = *caststring++) {
  if (!(x & 0xff)) /* first byte in this int-sized package is 0 */ return size;
  else if (!(x & 0xff00)) /* second byte etc. */ return size+1;
  /* rinse and repeat depending on target architecture, i.e. twice more for 32 bit */
  size += sizeof (int);
}

【讨论】：

这可能不会提高性能，我感觉它只会让情况变得更糟。
@yi_H：缺点：每个字节有一个额外的 AND。优点：内存负载减少 75%，跳转次数减少 75%。哪一方赢得比赛几乎可以肯定是特定于架构的。我不知道它将如何在哪些架构上执行，所以你很可能是对的。但你也可能是错的。 ;)
缓存行的负载实际上减少了 75%，因为这些是连续字节。
是的。完全正确。也许我应该重新考虑保持清醒的事情。

【解决方案4】：

正如其他人指出的那样，更快的算法读取整个单词而不是单个字符，并使用bitwise operations 来查找终止空值。如果您采用这种方法，请注意字对齐指针，因为某些 CPU 架构不允许您从未对齐的地址读取字（即使在不需要对齐的架构上，这也是触发段错误的好方法）。

底线：

伟大的代码强调可读性而不是速度，除了对性能最关键的情况。尽可能清楚地编写代码，并且只优化被证明是瓶颈的部分。

【讨论】：

我猜想“优秀的代码是对读者友好的代码”这一论点在以性能为目标的 C 标准库的情况下不成立。
由于标准库被如此广泛和频繁地使用，“性能关键”异常是合适的。尽管如此，他们中的大多数人都可以使用更好的文档......

【解决方案5】：

读取与机器数据总线大小不同的变量是昂贵的，因为机器只能读取该大小的变量。因此，无论何时请求不同大小（比方说更小）的东西，机器必须做一些工作以使其看起来像请求大小的变量（如移位位）。因此，您最好以机器大小的字读取数据，然后使用 AND 操作检查是否为 0。此外，在扫描字符串时，请确保从对齐的起始地址开始。

【讨论】：

【解决方案6】：

回答 OP 关于在哪里可以找到如何编写代码以提高性能的建议的问题，这里是 link 到 MIT OpenCourse 关于编写优化的 C 代码（查找页面左侧的“材料”链接）。

【讨论】：

【解决方案7】：

以下应该比朴素算法更快，并且适用于 32/64 位。

union intptr {
    char* c;
    long* l;
#define LSIZE sizeof(long)
};

#define aligned_(x, a) \
    ((unsigned long) (x) % (a) == 0)

#define punpktt_(x, from, to) \
    ((to) (-1)/(from) (-1)*(from) (x))
#define punpkbl_(x) \
    punpktt_(x, unsigned char, unsigned long)

#define plessbl_(x, y) \
    (((x) - punpkbl_(y)) & ~(x) & punpkbl_(0x80))
#define pzerobl_(x) \
    plessbl_(x, 1)

static inline unsigned long maskffs_(unsigned long x)
{
    unsigned long acc = 0x00010203UL;
    if (LSIZE == 8)
       acc = ((acc << 16) << 16) | 0x04050607UL;
    return ((x & -x) >> 7) * acc >> (LSIZE*8-8);
}

size_t strlen(const char* base)
{
    union intptr p = { (char*) base };
    unsigned long mask;

    for ( ; !aligned_(p.c, LSIZE); p.c++ )
        if (*p.c == 0)
            return p.c - base;

    while ( !(mask = pzerobl_(*p.l)) )
        p.l++;
    return p.c - base + maskffs_(mask);
}

【讨论】：