【C語言經典面試題】memcpy函數有沒有更高效的拷貝實現方法？

我相信大部分初中級C程序員在面試的過程中，可能都被問過關于memcpy函數的問題，甚至需要手撕memcpy。本文從另一個角度帶你領悟一下memcpy的面試題，你可以看看是否能接得住？

1 寫在前面2 源碼實現2.1 函數申明2.2 簡單的功能實現2.3 滿足大數據量拷貝的功能實現3 源碼測試4 小小總結5 更多分享

1 寫在前面

假如你遇到下面的面試題，你會怎么做？題目大意如下：

請參考標準C庫對memcpy的申明定義，使用C語言的語法實現其基本功能，并盡量保證它在拷貝大數據（KK級別）的時候，有比較好的性能表現。

2 源碼實現

2.1 函數申明

通過查看man幫助，我們可以知道memcpy函數的功能及其簡要申明。

NAME
        memcpy - copy memory area
 ?
 SYNOPSIS
        #include

英文翻譯過來就是說，memcpy實現的就是內存拷貝，其是按字節進行拷貝，同時還可能會存在內存區域重合的情況。

2.2 簡單的功能實現

根據功能需求，以下是我的一個簡單實現源碼，僅供參考：

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，這段代碼的缺陷也比較明顯，但數據量過大的時，即len很大時，整一個拷貝耗時將會非常不理想。那么如果考慮性能問題，又該如何實現它呢？

2.3 滿足大數據量拷貝的功能實現

下面給出一個參考實現：

/* 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;
 }
 ?

我們可以看到，里面做了對齊的判斷，還有數據量長度的判斷；通過充分利用機器的操作性能，從而提升memcpy拷貝的效率。

3 源碼測試

**簡單的測試代碼如下，目的就是測試在拷貝 **1KB數據和10MB數據 時，標準C的memcpy、自定義的memcpy_normal、以及自定義的memcpy_super直接的性能差異：

#include 
 #include 
 ?
 static void get_rand_bytes(unsigned char *data, int len)
 {
     int a;
     int i;
 ?
     srand((unsigned)time(NULL)); //種下隨機種子
     for (i = 0; i < len; i++) {
         data[i] = rand() % 255; //取隨機數，并保證數在0-255之間
         //printf("%02X ", data[i]);
     }  
 }
 ?
 static int get_cur_time_us(void)
 {
     struct timeval tv;
 ?
     gettimeofday(&tv, NULL);  //使用gettimeofday獲取當前系統時間
 ?
     return (tv.tv_sec * 1000 * 1000 + tv.tv_usec); //利用struct timeval結構體將時間轉換為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;
 }
 ?

簡單執行編譯后，運行小程序的結果：

從運行結果上看：

• **拷貝數據量比較小時，拷貝效率排行： **normal < super < stdc
• **拷貝數據量比較大時，拷貝效率排行： **normal < stdc < super

4 小小總結

memcpy的源碼實現，核心就是內存拷貝，要想提升拷貝的效率，還得充分利用機器的運算性能，比如考慮對齊問題。

綜合來看，標準C庫實現的memcpy在大部分的場景下都可以有一個比較好的性能表現，這一點是值得稱贊的。

5 更多分享

[架構師李肯]

架構師李肯 （ 全網同名 ），一個專注于嵌入式IoT領域的架構師。有著近10年的嵌入式一線開發經驗，深耕IoT領域多年，熟知IoT領域的業務發展，深度掌握IoT領域的相關技術棧，包括但不限于主流RTOS內核的實現及其移植、硬件驅動移植開發、網絡通訊協議開發、編譯構建原理及其實現、底層匯編及編譯原理、編譯優化及代碼重構、主流IoT云平臺的對接、嵌入式IoT系統的架構設計等等。擁有多項IoT領域的發明專利，熱衷于技術分享，有多年撰寫技術博客的經驗積累，連續多月獲得RT-Thread官方技術社區原創技術博文優秀獎，榮獲[CSDN博客專家]、[CSDN物聯網領域優質創作者]、[2021年度CSDN&RT-Thread技術社區之星]、[2022年RT-Thread全球技術大會講師]、[RT-Thread官方嵌入式開源社區認證專家]、[RT-Thread 2021年度論壇之星TOP4]、[華為云云享專家（嵌入式物聯網架構設計師）]等榮譽。堅信【知識改變命運，技術改變世界】！

審核編輯：湯梓紅