學習高效編程的有效途徑之一就是閱讀高手寫的源代碼，CRT(C/C++ Runtime Library)作為底層的函數(shù)庫，實現(xiàn)必然高效。恰好手中就有g(shù)libc和VC的CRT源代碼，于是挑了一個相對簡單的函數(shù)strlen研究了一下，并對各種實現(xiàn)作了簡單的效率測試。
strlen的函數(shù)原形如下：
size_t strlen(const char *str);
strlen返回str中字符的個數(shù)，其中str為一個以'\0'結(jié)尾的字符串(a null-terminated string)。
1. 簡單實現(xiàn)
如果不管效率，最簡單的實現(xiàn)只需要4行代碼：
1 size_t strlen_a(const char *
str) {
2 size_t length = 0
;
3 while (*str++
)
4 ++
length;
5 return
length;
6 }
也許可以稍加改進如下：
1 size_t strlen_b(const char *
str) {
2 const char *cp =
str;
3 while (*cp++
)
4
;
5 return (cp - str - 1
);
6 }
2. 高效實現(xiàn)
很顯然，標準庫的實現(xiàn)肯定不會如此簡單，上面的strlen_a以及strlen_b都是一次判斷一個字符直到發(fā)現(xiàn)'\0'為止，這是非常低效的。比較高效的實現(xiàn)如下(在這里WORD表示計算機中的一個字，不是WORD類型)：
(1) 一次判斷一個字符直到內(nèi)存對齊，如果在內(nèi)存對齊之前就遇到'\0'則直接return，否則到(2)；
(2) 一次讀入并判斷一個WORD，如果此WORD中沒有為0的字節(jié)，則繼續(xù)下一個WORD，否則到(3)；
(3) 到這里則說明WORD中至少有一個字節(jié)為0，剩下的就是找出第一個為0的字節(jié)的位置然后return。
NOTE：
數(shù)據(jù)對齊(data alignment)，
是指數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存地址必須是該數(shù)據(jù)長度的整數(shù)倍，這樣CPU的存取速度最快。比如在32位的計算機中，一個WORD為4
byte，則WORD數(shù)據(jù)的起始地址能被4整除的時候CPU的存取效率比較高。CPU的優(yōu)化規(guī)則大概如下：對于n字節(jié)(n =
2,4,8...)的元素，它的首地址能被n整除才能獲得最好的性能。
為了便于下面的討論，這里假設(shè)所用的計算機為32位，即一個WORD為4個字節(jié)。下面給出在32位計算機上的C語言實現(xiàn)(假設(shè)unsigned long為4個字節(jié))：
1 typedef unsigned long
ulong;
2
3 size_t strlen_c(const char *
str) {
4
5 const char *
char_ptr;
6 const ulong *
longword_ptr;
7
register ulong longword, magic_bits;
8
9 for (char_ptr =
str; ((ulong)char_ptr
10 & (sizeof(ulong) - 1)) != 0
;
11 ++
char_ptr) {
12 if (*char_ptr == '\0'
)
13 return char_ptr -
str;
14
}
15
16 longword_ptr = (ulong*
)char_ptr;
17
18 magic_bits = 0x7efefeffL
;
19
20 while (1
) {
21
22 longword = *longword_ptr++
;
23
24 if ((((longword + magic_bits) ^ ~longword) & ~magic_bits) != 0
) {
25
26 const char *cp = (const char*)(longword_ptr - 1
);
27
28 if (cp[0] == 0
)
29 return cp -
str;
30 if (cp[1] == 0
)
31 return cp - str + 1
;
32 if (cp[2] == 0
)
33 return cp - str + 2
;
34 if (cp[3] == 0
)
35 return cp - str + 3
;
36
}
37
}
38 }
3. 源碼剖析
上面給出的C語言實現(xiàn)雖然不算特別復雜，但也值得花點時間來弄清楚，先看9-14行：
for (char_ptr = str; ((ulong)char_ptr & (sizeof(ulong) - 1)) != 0; ++char_ptr) {
if (*char_ptr == '\0')
return char_ptr - str;
}
上面的代碼實現(xiàn)了數(shù)據(jù)對齊，如果在對齊之前就遇到'\0'則可以直接return char_ptr - str;
第16行將longword_ptr指向數(shù)據(jù)對齊后的首地址
longword_ptr = (ulong*)char_ptr;
第18行給magic_bits賦值(在后面會解釋這個值的意義)
magic_bits = 0x7efefeffL;
第22行讀入一個WORD到longword并將longword_ptr指向下一個WORD
longword = *longword_ptr++;
第24行的if語句是整個算法的核心，該語句判斷22行讀入的WORD中是否有為0的字節(jié)
if ((((longword + magic_bits) ^ ~longword) & ~magic_bits) != 0)
if語句中的計算可以分為如下3步：
(1) longword + magic_bits
其中magic_bits的二進制表示如下：
b3 b2 b1 b0
31------------------------------->0
magic_bits: 01111110 11111110 11111110 11111111
magic_bits中的31,24,16,8這些bits都為0，我們把這幾個bits稱為holes，注意在每個byte的左邊都有一個hole。
檢測0字節(jié)：如
果longword
中有一個字節(jié)的所有bit都為0，則進行加法后，從這個字節(jié)的右邊的字節(jié)傳遞來的進位都會落到這個字節(jié)的最低位所在的hole上，而從這個字節(jié)的最高位則
永遠不會產(chǎn)生向左邊字節(jié)的hole的進位。則這個字節(jié)左邊的hole在進行加法后不會改變，由此可以檢測出0字節(jié)；相反，如果longword中所有字節(jié)
都不為0，則每個字節(jié)中至少有1位為1，進行加法后所有的hole都會被改變。
為了便于理解，請看下面的例子：
b3 b2 b1 b0
31------------------------------->0
longword: XXXXXXXX XXXXXXXX 00000000 XXXXXXXX
+ magic_bits: 01111110 11111110 11111110 11111111
上面longword中的b1為0，X可能為0也可能為1。因為b1的所有bit都為0，而從b0傳遞過來的進位只可能是0或1，很顯然b1永遠也不會產(chǎn)生進位，所以加法后longword的第16 bit這個hole不會變。
(2) ^ ~longword
這一步取出加法后longword中所有未改變的bit。
(3) & ~magic_bits
最后取出longword中未改變的hole，如果有任何hole未改變則說明longword中有為0的字節(jié)。
根據(jù)上面的描述，如果longword中有為0的字節(jié)，則if中的表達式結(jié)果為非0，否則為0。
NOTE：
如
果b3為10000000，則進行加法后第31
bit這個hole不會變，這說明我們無法檢測出b3為10000000的所有WORD。值得慶幸的是用于strlen的字符串都是ASCII標準字符，
其值在0-127之間，這意味著每一個字節(jié)的第一個bit都為0。因此上面的算法是安全的。
一旦檢測出longword中有為0的字節(jié)，后面的代碼只需要找到第一個為0的字節(jié)并返回相應(yīng)的長度就OK：
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;
4. 另一種實現(xiàn)
1 size_t strlen_d(const char *str) {
2
3 const char *char_ptr;
4 const ulong *longword_ptr;
5 register ulong longword, himagic, lomagic;
6
7 for (char_ptr = str; ((ulong)char_ptr
8 & (sizeof(ulong) - 1)) != 0;
9 ++char_ptr) {
10 if (*char_ptr == '\0')
11 return char_ptr - str;
12 }
13
14 longword_ptr = (ulong*)char_ptr;
15
16 himagic = 0x80808080L;
17 lomagic = 0x01010101L;
18
19 while (1) {
20
21 longword = *longword_ptr++;
22
23 if (((longword - lomagic) & himagic) != 0) {
24
25 const char *cp = (const char*)(longword_ptr - 1);
26
27 if (cp[0] == 0)
28 return cp - str;
29 if (cp[1] == 0)
30 return cp - str + 1;
31 if (cp[2] == 0)
32 return cp - str + 2;
33 if (cp[3] == 0)
34 return cp - str + 3;
35 }
36 }
37 }
上面的代碼與strlen_c基本一樣，不同的是：
magic_bits換成了himagic和lomagic
himagic = 0x80808080L;
lomagic = 0x01010101L;
以及 if語句變得比較簡單了
if (((longword - lomagic) & himagic) != 0)
if語句中的計算可以分為如下2步：
(1) longword - lomagic
himagic和lomagic的二進制表示如下：
b3 b2 b1 b0
31------------------------------->0
himagic: 10000000 10000000 10000000 10000000
lomagic: 00000001 00000001 00000001 00000001
在這種方法中假設(shè)所有字符都是ASCII標準字符，其值在0-127之間，因此longword總是如下形式：
b3 b2 b1 b0
31------------------------------->0
longword: 0XXXXXXX 0XXXXXXX 0XXXXXXX 0XXXXXXX
檢測0字節(jié)：
如果longword 中有一個字節(jié)的所有bit都為0，則進行減法后，這個字節(jié)的最高位一定會從0變?yōu)?；相反，如果longword中所有字節(jié)都不為0，則每個字節(jié)中至少有1位為1，進行減法后這個字節(jié)的最高位依然為0。
(2) & himagic
這一步取出每個字節(jié)最高位的1，如果有任意字節(jié)最高位為1則說明longword中有為0的字節(jié)。
根據(jù)上面的描述，如果longword中有為0的字節(jié)，則if中的表達式結(jié)果為非0，否則為0。
5. 匯編實現(xiàn)
VC CRT的匯編實現(xiàn)與前面strlen_c算法類似
1 page ,132
2 title strlen - return the length of a null-terminated string
3 ;***
4 ;strlen.asm - contains strlen() routine
5 ;
6 ; Copyright (c) Microsoft Corporation. All rights reserved.
7 ;
8 ;Purpose:
9 ; strlen returns the length of a null-terminated string,
10 ; not including the null byte itself.
11 ;
12 ;*******************************************************************************
13
14 .xlist
15 include cruntime.inc
16 .list
17
18 page
19 ;***
20 ;strlen - return the length of a null-terminated string
21 ;
22 ;Purpose:
23 ; Finds the length in bytes of the given string, not including
24 ; the final null character.
25 ;
26 ; Algorithm:
27 ; int strlen (const char * str)
28 ; {
29 ; int length = 0;
30 ;
31 ; while( *str++ )
32 ; ++length;
33 ;
34 ; return( length );
35 ; }
36 ;
37 ;Entry:
38 ; const char * str - string whose length is to be computed
39 ;
40 ;Exit:
41 ; EAX = length of the string "str", exclusive of the final null byte
42 ;
43 ;Uses:
44 ; EAX, ECX, EDX
45 ;
46 ;Exceptions:
47 ;
48 ;*******************************************************************************
49
50 CODESEG
51
52 public strlen
53
54 strlen proc \
55 buf:ptr byte
56
57 OPTION PROLOGUE:NONE, EPILOGUE:NONE
58
59 .FPO ( 0, 1, 0, 0, 0, 0 )
60
61 string equ [esp + 4]
62
63 mov ecx,string ; ecx -> string
64 test ecx,3 ; test if string is aligned on 32 bits
65 je short main_loop
66
67 str_misaligned:
68 ; simple byte loop until string is aligned
69 mov al,byte ptr [ecx]
70 add ecx,1
71 test al,al
72 je short byte_3
73 test ecx,3
74 jne short str_misaligned
75
76 add eax,dword ptr 0 ; 5 byte nop to align label below
77
78 align 16 ; should be redundant
79
80 main_loop:
81 mov eax,dword ptr [ecx] ; read 4 bytes
82 mov edx,7efefeffh
83 add edx,eax
84 xor eax,-1
85 xor eax,edx
86 add ecx,4
87 test eax,81010100h
88 je short main_loop
89 ; found zero byte in the loop
90 mov eax,[ecx - 4]
91 test al,al ; is it byte 0
92 je short byte_0
93 test ah,ah ; is it byte 1
94 je short byte_1
95 test eax,00ff0000h ; is it byte 2
96 je short byte_2
97 test eax,0ff000000h ; is it byte 3
98 je short byte_3
99 jmp short main_loop ; taken if bits 24-30 are clear and bit
100 ; 31 is set
101
102 byte_3:
103 lea eax,[ecx - 1]
104 mov ecx,string
105 sub eax,ecx
106 ret
107 byte_2:
108 lea eax,[ecx - 2]
109 mov ecx,string
110 sub eax,ecx
111 ret
112 byte_1:
113 lea eax,[ecx - 3]
114 mov ecx,string
115 sub eax,ecx
116 ret
117 byte_0:
118 lea eax,[ecx - 4]
119 mov ecx,string
120 sub eax,ecx
121 ret
122
123 strlen endp
124
125 end
6. 測試結(jié)果為了對上述各種實現(xiàn)的效率有一個大概的認識，我在VC8和GCC下分別進行了測試，測試時均采用默認優(yōu)化方式。下面是在GCC下運行幾百萬次后的結(jié)果(在VC8下的運行結(jié)果與此相似)：
strlen_a
--------------------------------------------------
1: 515 ticks 0.515 seconds
2: 375 ticks 0.375 seconds
3: 375 ticks 0.375 seconds
4: 375 ticks 0.375 seconds
5: 375 ticks 0.375 seconds
total: 2015 ticks 2.015 seconds
average: 403 ticks 0.403 seconds
--------------------------------------------------
strlen_b
--------------------------------------------------
1: 360 ticks 0.36 seconds
2: 390 ticks 0.39 seconds
3: 375 ticks 0.375 seconds
4: 360 ticks 0.36 seconds
5: 375 ticks 0.375 seconds
total: 1860 ticks 1.86 seconds
average: 372 ticks 0.372 seconds
--------------------------------------------------
strlen_c
--------------------------------------------------
1: 187 ticks 0.187 seconds
2: 172 ticks 0.172 seconds
3: 187 ticks 0.187 seconds
4: 187 ticks 0.187 seconds
5: 188 ticks 0.188 seconds
total: 921 ticks 0.921 seconds
average: 184 ticks 0.1842 seconds
--------------------------------------------------
strlen_d
--------------------------------------------------
1: 172 ticks 0.172 seconds
2: 187 ticks 0.187 seconds
3: 172 ticks 0.172 seconds
4: 187 ticks 0.187 seconds
5: 188 ticks 0.188 seconds
total: 906 ticks 0.906 seconds
average: 181 ticks 0.1812 seconds
--------------------------------------------------
strlen
--------------------------------------------------
1: 187 ticks 0.187 seconds
2: 172 ticks 0.172 seconds
3: 188 ticks 0.188 seconds
4: 172 ticks 0.172 seconds
5: 187 ticks 0.187 seconds
total: 906 ticks 0.906 seconds
average: 181 ticks 0.1812 seconds
--------------------------------------------------
posted on 2008-07-19 11:33
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