C語言記憶體操作：memcpy 基礎實現與向量化優化方向

C語言記憶體操作：memcpy 基礎實現與向量化優化方向

`memcpy` 是記憶體複製的基石，**不處理重疊、極致效能**。本文提供標準實現、字長級優化、編譯器內建利用、嚴格別名規則合規性分析。

標準基礎實現

#include 
#include 

void *my_memcpy(void *dest, const void *src, size_t count) {
    assert(dest && src);
    
    char *d = (char *)dest;
    const char *s = (const char *)src;
    void *ret = dest;
    
    while (count--) {
        *d++ = *s++;
    }
    return ret;
}

測試驗證

int main() {
    float src[] = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0};
    float dst[10] = {0};
    size_t bytes = sizeof(src);  // 9 * 4 = 36 bytes
    
    my_memcpy(dst, src, bytes);
    
    for (int i = 0; i < 9; i++) {
        printf("%.1f ", dst[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

執行結果

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0

向量化優化：字長級批量複製

void *my_memcpy_fast(void *dest, const void *src, size_t count) {
    char *d = (char *)dest;
    const char *s = (const char *)src;
    void *ret = dest;
    
    // 1. 位址對齊：先複製字節直到 dest 對齊到 sizeof(size_t)
    while (count && ((uintptr_t)d % sizeof(size_t))) {
        *d++ = *s++;
        count--;
    }
    
    // 2. 字長級複製 (size_t 通常 8 位元組)
    size_t *wd = (size_t *)d;
    const size_t *ws = (const size_t *)s;
    while (count >= sizeof(size_t)) {
        *wd++ = *ws++;
        count -= sizeof(size_t);
    }
    
    // 3. 餘數字節
    d = (char *)wd;
    s = (const char *)ws;
    while (count--) *d++ = *s++;
    
    return ret;
}

進階：SIMD 向量化 (編譯器自動化)

// 現代編譯器 -O2/-O3 會自動向量化簡單迴圈
// 關鍵：使用 restrict 關鍵字 (C99) 告知編譯器無別名
void *my_memcpy_restrict(void *restrict dest, const void *restrict src, size_t n) {
    return memcpy(dest, src, n);  // 直接呼叫 libc 優化版
}

// 或使用編譯器內建
void *my_memcpy_builtin(void *dest, const void *src, size_t n) {
    return __builtin_memcpy(dest, src, n);
}

嚴格別名規則與 char* 特權

• C 標準：**`char*`、`signed char*`、`unsigned char*` 可別名任意型別** (嚴格別名規則例外)
• 因此 `memcpy` 以 `char*` 逐位元組複製**完全合規**，不違反嚴格別名規則
• 這是 `memcpy` 可用於任意型別記憶體複製的法律依據

常見錯誤避坑

總結

`memcpy` = **字節級語義 + 字長級實現 + 向量化優化**。核心合法性來自 `char*` 的別名特權。現代開發**直接使用標準庫 `memcpy`**，編譯器內建 + libc (glibc/musl/msvcrt) 提供針對目標架構深度優化的實現 (SSE/AVX/NEON/SVE、非暫存寫入、預取、頁面對齊處理)。手寫版本僅供教學理解「字長級複製、對齊處理、餘數處理」三階段邏輯。