【C语言经典面试题】memcpy函数有没有更高效的拷贝实现方法？

我相信大部分初中级C程序员在面试的过程中，可能都被问过关于memcpy函数的问题，甚至需要手撕memcpy。本文从另一个角度带你领悟一下memcpy的面试题，你可以看看是否能接得住？

1 写在前面

假如你遇到下面的面试题，你会怎么做？题目大意如下：

请参考标准C库对memcpy的申明定义，使用C语言的语法实现其基本功能，并尽量保证它在拷贝大数据（KK级别）的时候，有比较好的性能表现。

2 源码实现

2.1 函数申明

通过查看man帮助，我们可以知道memcpy函数的功能及其简要申明。

NAME
       memcpy - copy memory area

SYNOPSIS
       #include <string.h>

       void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

DESCRIPTION
       The memcpy() function copies n bytes from memory area src to memory area dest.  The memory areas must not overlap.  Use memmove(3) if the memory
       areas do overlap.

RETURN VALUE
       The memcpy() function returns a pointer to dest.

英文翻译过来就是说，memcpy实现的就是内存拷贝，其是按字节进行拷贝，同时还可能会存在内存区域重合的情况。

2.2 简单的功能实现

根据功能需求，以下是我的一个简单实现源码，仅供参考：

char *my_memcpy(char* dest, const char *src, size_t len)
{
    assert(dest && src && (len > 0));
	
	if (dest == src) {
		;
	} else {
        char *p = dest;
		size_t i;
        for (i = 0; i < len; i++) {
            *p++ = *src++;
		}
    } 

    return dest;
}

但是，这段代码的缺陷也比较明显，但数据量过大的时，即len很大时，整一个拷贝耗时将会非常不理想。那么如果考虑性能问题，又该如何实现它呢？

2.3 满足大数据量拷贝的功能实现

下面给出一个参考实现：

/* Nonzero if either X or Y is not aligned on a "long" boundary.  */
#define UNALIGNED(X, Y) \
	(((long)X & (sizeof(long) - 1)) | ((long)Y & (sizeof(long) - 1)))

/* How many bytes are copied each iteration of the 4X unrolled loop.  */
#define BIGBLOCKSIZE    (sizeof(long) << 2)

/* How many bytes are copied each iteration of the word copy loop.  */
#define LITTLEBLOCKSIZE (sizeof(long))

/* Threshhold for punting to the byte copier.  */
#define TOO_SMALL(LEN)  ((LEN) < BIGBLOCKSIZE)

char *my_memcopy_super(char* dest0, const char *src0, size_t len0)
{
    assert(dest0 && src0 && (len0 > 0));
	
	char *dest = dest0;
	const char *src = src0;
	long *aligned_dest;
	const long *aligned_src;

	/* If the size is small, or either SRC or DST is unaligned,
	   then punt into the byte copy loop.  This should be rare.  */
	if (!TOO_SMALL(len0) && !UNALIGNED(src, dest)) {
		aligned_dest = (long *)dest;
		aligned_src = (long *)src;

		/* Copy 4X long words at a time if possible.  */
		while (len0 >= BIGBLOCKSIZE) {
			*aligned_dest++ = *aligned_src++;
			*aligned_dest++ = *aligned_src++;
			*aligned_dest++ = *aligned_src++;
			*aligned_dest++ = *aligned_src++;
			len0 -= BIGBLOCKSIZE;
		}

		/* Copy one long word at a time if possible.  */
		while (len0 >= LITTLEBLOCKSIZE) {
			*aligned_dest++ = *aligned_src++;
			len0 -= LITTLEBLOCKSIZE;
		}

		/* Pick up any residual with a byte copier.  */
		dest = (char *)aligned_dest;
		src = (char *)aligned_src;
	}

	while (len0--)
		*dest++ = *src++;

	return dest0;
}

我们可以看到，里面做了对齐的判断，还有数据量长度的判断；通过充分利用机器的操作性能，从而提升memcpy拷贝的效率。

3 源码测试

简单的测试代码如下，目的就是测试在拷贝 1KB数据和10MB数据 时，标准C的memcpy、自定义的memcpy_normal、以及自定义的memcpy_super直接的性能差异：

#include <stdio.h>
#include <assert.h>

static void get_rand_bytes(unsigned char *data, int len)
{
    int a;
    int i;

    srand((unsigned)time(NULL)); //种下随机种子
    for (i = 0; i < len; i++) {
        data[i] = rand() % 255; //取随机数，并保证数在0-255之间
        //printf("%02X ", data[i]);
    }  
}

static int get_cur_time_us(void)
{
    struct timeval tv;

    gettimeofday(&tv, NULL);  //使用gettimeofday获取当前系统时间

    return (tv.tv_sec * 1000 * 1000 + tv.tv_usec); //利用struct timeval结构体将时间转换为ms
}

#define ARRAY_SIZE(n)  sizeof(n) / sizeof(n[0])

int main(void)
{
	int size_list[] = {
		1024 * 1024 * 10,  // 10MB
		1024 * 1024 * 1,  // 1MB
		1024 * 100, // 100KB
		1024 * 10, // 10KB
		1024 * 1, // 1KB
	};
    char *data1;
    char *data2;
    int t1;
    int t2;
    int i = 0;

    data1 = (char *)malloc(size_list[0]);
    data2 = (char *)malloc(size_list[0]);

    get_rand_bytes(data1, size_list[0]);

    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(size_list); i++) {
    	t1 = get_cur_time_us();
	    memcpy(data2, data1, size_list[i]);
	    t2 = get_cur_time_us();
	    printf("copy %d bytes, memcpy_stdc   waste time %dus\n", size_list[i], t2 - t1);

	    t1 = get_cur_time_us();
	    my_memcopy_normal(data2, data1, size_list[i]);
	    t2 = get_cur_time_us();
	    printf("copy %d bytes, memcpy_normal waste time %dus\n", size_list[i], t2 - t1);

	    t1 = get_cur_time_us();
	    my_memcopy_super(data2, data1, size_list[i]);
	    t2 = get_cur_time_us();
	    printf("copy %d bytes, memcpy_super  waste time %dus\n\n", size_list[i], t2 - t1);	
    }

    free(data1);
    free(data2);

	return 0;
}

简单执行编译后，运行小程序的结果：

从运行结果上看：

• 拷贝数据量比较小时，拷贝效率排行： normal < super < stdc
• 拷贝数据量比较大时，拷贝效率排行： normal < stdc < super

4 小小总结

memcpy的源码实现，核心就是内存拷贝，要想提升拷贝的效率，还得充分利用机器的运算性能，比如考虑对齐问题。

综合来看，标准C库实现的memcpy在大部分的场景下都可以有一个比较好的性能表现，这一点是值得称赞的。

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架构师李肯

架构师李肯（全网同名），一个专注于嵌入式IoT领域的架构师。有着近10年的嵌入式一线开发经验，深耕IoT领域多年，熟知IoT领域的业务发展，深度掌握IoT领域的相关技术栈，包括但不限于主流RTOS内核的实现及其移植、硬件驱动移植开发、网络通讯协议开发、编译构建原理及其实现、底层汇编及编译原理、编译优化及代码重构、主流IoT云平台的对接、嵌入式IoT系统的架构设计等等。拥有多项IoT领域的发明专利，热衷于技术分享，有多年撰写技术博客的经验积累，连续多月获得RT-Thread官方技术社区原创技术博文优秀奖，荣获CSDN博客专家、CSDN物联网领域优质创作者、2021年度CSDN&RT-Thread技术社区之星、2022年RT-Thread全球技术大会讲师、RT-Thread官方嵌入式开源社区认证专家、RT-Thread 2021年度论坛之星TOP4、华为云云享专家（嵌入式物联网架构设计师）等荣誉。坚信【知识改变命运，技术改变世界】！