面试题：C++ 特定平台下 memcpy() 的高效使用策略及原理

Question

在某特定嵌入式平台（例如 ARM 架构）中，处理器对内存访问有对齐要求，并且缓存策略对内存复制操作性能影响较大。请阐述在该平台下使用 memcpy() 的高效策略，包括如何利用平台特性（如缓存预取、内存对齐等）来提升 memcpy() 的性能，同时分析这些策略背后的原理。

Answer 1

高效策略

1. 内存对齐：
   • 在源和目标内存地址开始时，确保它们满足处理器的对齐要求。例如在 ARM 架构下，对于 32 位数据访问，地址通常应该是 4 的倍数，对于 64 位数据访问，地址应该是 8 的倍数。在进行 memcpy 前，可以通过指针调整来实现对齐。比如：

// 假设src和dst是源和目标指针
char *aligned_src = (char *)(((size_t)src + alignment - 1) & ~(alignment - 1)); 
char *aligned_dst = (char *)(((size_t)dst + alignment - 1) & ~(alignment - 1)); 
// 先处理未对齐部分
size_t unaligned_bytes = aligned_src - src;
while (unaligned_bytes--) {
    *dst++ = *src++;
}
// 处理对齐部分
size_t aligned_size = size - (aligned_src - src);

2. 缓存预取：
   • 利用平台提供的缓存预取指令（如 ARM 架构中的 __builtin_prefetch 等）。在复制大块数据前，提前将即将访问的内存数据预取到缓存中。例如：

// 假设要复制的数据量为size
for (size_t i = 0; i < size; i += prefetch_stride) {
    __builtin_prefetch(src + i + prefetch_stride);
}
// 然后进行正常的memcpy操作
memcpy(dst, src, size);

3. 分块处理：
   • 根据缓存大小和处理器性能，将大块数据分成合适大小的块进行复制。比如，如果缓存行大小为 64 字节，可以按 64 字节的倍数进行分块，以充分利用缓存的局部性原理。

原理分析

1. 内存对齐：
   • 当内存访问未对齐时，处理器可能需要多次访问内存才能完成一次数据读取或写入操作，这会增加处理器的负担并降低性能。而对齐的内存访问可以让处理器以更高效的方式从内存中获取数据，减少总线事务次数，提高数据传输效率。
2. 缓存预取：
   • 缓存预取的原理是利用程序访问的局部性原理，提前将后续可能使用的数据加载到缓存中。这样当实际执行 memcpy 操作时，数据已经在缓存中，大大减少了从主存读取数据的时间，因为缓存的访问速度远快于主存。
3. 分块处理：
   • 分块处理能更好地利用缓存的局部性原理。如果一次复制的数据量过大，可能会导致缓存被频繁替换，降低缓存命中率。而分块复制可以使得每个块在缓存中停留足够长的时间，提高缓存的利用率，从而提升 memcpy 的性能。