面试题：C语言字符串函数的底层优化与实现

Question

请你基于C标准库中strlen函数的功能，自行设计并实现一个更高效的版本（例如利用CPU缓存特性、指令并行等优化手段），分析你实现的函数在不同长度字符串下相较于标准库strlen函数的性能优势，并说明你采用的优化策略及其原理。

Answer 1

实现高效的字符串长度计算函数

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <x86intrin.h>

// 自定义更高效的strlen函数
size_t my_strlen(const char *str) {
    const uint8_t *p = (const uint8_t *)str;
    size_t len = 0;
    // 利用SSE指令集（假设在支持SSE的CPU上）
    // 每次检查16字节
    __m128i zero = _mm_set1_epi8(0);
    while (1) {
        __m128i data = _mm_loadu_si128((const __m128i *)p);
        __m128i cmp = _mm_cmpeq_epi8(data, zero);
        int mask = _mm_movemask_epi8(cmp);
        if (mask != 0) {
            // 找到第一个零字节的位置
            for (int i = 0; i < 16; ++i) {
                if ((mask & (1 << i)) != 0) {
                    len += i;
                    return len;
                }
            }
        }
        p += 16;
        len += 16;
    }
    return len;
}

性能优势分析

1. 短字符串：对于非常短的字符串（例如长度小于16字节），由于SSE指令的加载和处理开销，自定义函数可能并不会比标准库的strlen函数有明显优势，甚至可能更慢。因为标准库strlen通常是经过高度优化的，对于短字符串直接采用简单的循环逐个字节检查，开销较小。
2. 长字符串：随着字符串长度的增加，自定义函数利用SSE指令集每次处理16字节数据，减少了循环次数，充分利用了CPU缓存特性和指令并行性，性能优势逐渐明显。例如，当字符串长度达到几百字节甚至更长时，自定义函数能够显著减少CPU访问内存的次数，从而提高计算速度。

优化策略及其原理

1. 利用SSE指令集：SSE（Streaming SIMD Extensions）指令集允许在一个指令周期内并行处理多个数据元素。这里使用__m128i类型一次加载16个字节的数据，并通过_mm_cmpeq_epi8指令并行比较这16个字节是否为零。_mm_movemask_epi8指令将比较结果转换为一个整数掩码，通过检查掩码可以快速确定是否存在零字节以及零字节的位置。
2. 减少内存访问次数：通过一次加载16字节数据，相比于标准库strlen每次只检查一个字节，大大减少了内存访问次数。现代CPU缓存层次结构中，缓存容量有限，减少内存访问可以提高缓存命中率，从而加快数据处理速度。
3. 指令并行：SSE指令集的本质是单指令多数据（SIMD），能够并行处理多个数据元素，充分利用CPU的计算资源，在同样的时间内处理更多的数据，提高了计算效率。