理解 strlen 实现中的代码

Question

关于在 glibc 中 string.h 中的 strlen 的实现，我有两个问题。

1. 该实现使用带有“孔”的幻数。我无法理解这是如何工作的。有人可以帮我理解这个sn-p：

   size_t
   strlen (const char *str)
   {
      const char *char_ptr;
      const unsigned long int *longword_ptr;
      unsigned long int longword, himagic, lomagic;
   
      /* Handle the first few characters by reading one character at a time.
         Do this until CHAR_PTR is aligned on a longword boundary.  */
      for (char_ptr = str; ((unsigned long int) char_ptr
                & (sizeof (longword) - 1)) != 0;
           ++char_ptr)
        if (*char_ptr == '\0')
          return char_ptr - str;
   
      /* All these elucidatory comments refer to 4-byte longwords,
         but the theory applies equally well to 8-byte longwords.  */
   
      longword_ptr = (unsigned long int *) char_ptr;
   
      /* Bits 31, 24, 16, and 8 of this number are zero.  Call these bits
         the "holes."  Note that there is a hole just to the left of
         each byte, with an extra at the end:
   
         bits:  01111110 11111110 11111110 11111111
         bytes: AAAAAAAA BBBBBBBB CCCCCCCC DDDDDDDD
   
         The 1-bits make sure that carries propagate to the next 0-bit.
         The 0-bits provide holes for carries to fall into.  */
   
       himagic = 0x80808080L;
          lomagic = 0x01010101L;
          if (sizeof (longword) > 4)
          {
              /* 64-bit version of the magic.  */
              /* Do the shift in two steps to avoid a warning if long has 32 bits.  */
              himagic = ((himagic << 16) << 16) | himagic;
                lomagic = ((lomagic << 16) << 16) | lomagic;
            }
          if (sizeof (longword) > 8)
            abort ();
   
          /* Instead of the traditional loop which tests each character,
             we will test a longword at a time.  The tricky part is testing
             if *any of the four* bytes in the longword in question are zero.  */
          for (;;)
            {
              longword = *longword_ptr++;
   
              if (((longword - lomagic) & ~longword & himagic) != 0)
            {
              /* Which of the bytes was the zero?  If none of them were, it was
                 a misfire; continue the search.  */
   
              const char *cp = (const char *) (longword_ptr - 1);
   
              if (cp[0] == 0)
                return cp - str;
              if (cp[1] == 0)
                return cp - str + 1;
              if (cp[2] == 0)
                return cp - str + 2;
              if (cp[3] == 0)
                return cp - str + 3;
              if (sizeof (longword) > 4)
                {
                  if (cp[4] == 0)
                return cp - str + 4;
                  if (cp[5] == 0)
                return cp - str + 5;
                  if (cp[6] == 0)
                return cp - str + 6;
        if (cp[7] == 0)
         return cp - str + 7;
   }}}
   

   幻数的用途是什么？

2. 为什么不简单地增加指针直到 NULL 字符并返回计数？这种方法更快吗？为什么会这样？

Answer 1

这用于一次查看 4 个字节（32 位）甚至 8 个（64 位），以检查其中一个是否为零（字符串结尾），而不是单独检查每个字节。

这是一个检查空字节的示例：

unsigned int v; // 32-bit word to check if any 8-bit byte in it is 0
bool hasZeroByte = ~((((v & 0x7F7F7F7F) + 0x7F7F7F7F) | v) | 0x7F7F7F7F);

更多信息请参见Bit Twiddling Hacks。

此处使用的那个（32 位示例）：

还有一种更快的方法——使用 hasless(v, 1)，它的定义是 以下;它适用于 4 次操作，不需要后续操作 确认。它简化为

#define haszero(v) (((v) - 0x01010101UL) & ~(v) & 0x80808080UL)

子表达式 (v - 0x01010101UL)，计算结果为设置的高位 每当 v 中的相应字节为零或大于时的任何字节 0x80。子表达式 ~v & 0x80808080UL 计算为高位集 以字节为单位，其中 v 的字节没有设置其高位（因此 字节小于 0x80)。最后，通过与这两个子表达式 结果是在 v 中的字节为零时设置的高位，因为 由于第一个值大于 0x80 而设置的高位 子表达式被第二个屏蔽掉。

一次查看一个字节的 CPU 周期至少与查看一个完整的整数值（寄存器范围）一样多。在此算法中，检查完整整数以查看它们是否包含零。如果不是，则使用很少的指令，并且可以跳转 到下一个完整整数。如果里面有一个零字节，则进一步检查它的确切位置。