memset 是 msvcrt 中的一个函数,其作用和用途是显而易见的,通常是对一段内存进行填充,就其作用本身不具有任何歧义性。但就有人一定要纠结对数组的初始化一定要写成如下形式:
int a[...] = { 0 };
int a[100] = { 1, 2 };
而认为如下使用 memset 的写法不明就里的被其排斥和拒绝:
memset(a, 0, sizeof(a));
这种看法首先是毫无道理的,在代码风格,可读性,可维护性上根本不构成一个命题,且 memset 在开发中的使用是非常常见的。这种错误观点来自于对代码风格和语言的僵硬理解,之后我们将看到在编译器处理后两者的等效性。
【补充】在讨论之前,需要先明确一个基本常识,即 memset 中提供的那个填充值的参数,是以字节为单位填充内存,因此实际的 memset 处理中只把它当作字节处理(即只有 0-7 bit 重要,高位被忽略),将其低位字节扩展成 32 位(例如参数值为 0x12345678,则实际被扩展成 0x78787878),然后用 rep stosd 填充。因此 memset 不能像循环赋值一样,完成对内存完成 4 bytes 为周期的周期性填充(而只能把所有字节都赋值为相同值),但汇编语言可以。
因此,假设有一个整数数组 a[],如果把所有元素赋值为 0,可以用 memset (a, 0, sizeof ( a )); // 这可能是 memset 使用中最常见的情况
如果把所有元素赋值为 -1 ( signed ) / 最大值 (unsigned) , 可以用 memset (a, 0xFF, sizeof ( a ));
如果要把所有元素赋值为任意一个常数值,则 memset 不能达到要求,需要用高级语言的循环进行赋值。
-- hoodlum1980 on 2014年6月19日 补充。
本文讨论的前提条件是:操作系统平台为 windows 系统,编译器为 VS2005 中的 VC,编译输出选项主要为 Release,反汇编工具为 VC 本身和 IDA。下面将给出一些经过实际观察和分析得到的基本结论,
(1)在数组被声明时提供初始化列表(且语言上仅能在声明时提供),其语法定义时对于缺省元素将使用 0 填充。在 MSVC 编译器的 release 输出中,将后续元素使用 memset 进行初始化。
(2)对数组用循环初始化时(这里假设数组元素类型为 int),编译器将其处理为 rep stosd 指令。
这个情况的汇编代码比较简单,因此忽略。根据这一点可以看到,不论在代码风格层面还是运行效率层面,认为使用初始化列表优于 memset 都是一种毫无理由的主观臆测。事实上,两者在运行效率上等效,且代码风格上不存在优劣之分。所以,当程序员对结构体,数组进行初始化时,不需要在这里产生犹豫。后面我们还会看到,对数组用循环的方法初始化,和调用 memset 初始化,在多数条件下的等效性。
(3)memset 的实现。
这里分析 memset 这个函数在汇编语言层面的实现方式。首先,memset 的原型如下:
void* __cdecl memset (void* _Dst, int _Val, size_t _Size);
第二个参数虽然为 int 类型,但是函数针对的目标是字节,所以它实际上提供的是一个字节的值。首先给出该函数的常规实现过程(后面我们将分析在 CPU 支持 sse2 时的分支)的基本结论:
(3.1)如果 _Dst 没有对齐到 DWORD,则先把前面未对齐部分(1~3 bytes),以字节为单位循环设置。
(3.2)主要循环部分 rep stosd 串存储指令,以 DWORD (4 bytes) 为基本单位循环设置。
(3.3)如果还有一些字节(1~3 bytes)未被设置,则以字节为单位循环设置。
以上是 memset 的方法的过程,后面我们将看到当 CPU 支持 SSE2 时的分支和上述步骤相同,只是第二步中基本单位的粒度更大(128 bit / 16 bytes)。
下面给出的是 memset 在 IDE 中的汇编代码,来自于 Micrsoft Visual Studio X\VC\crt\src\intel\memset.asm 的内容(下面的汇编代码在以字节为单位时使用的是 MOV [EDI], AL, 而在实际编译结果中是 rep stosb):
CODESEG extrn _VEC_memzero:near extrn __sse2_available:dword public memset memset proc \ dst:ptr byte, \ value:byte, \ count:dword OPTION PROLOGUE:NONE, EPILOGUE:NONE .FPO ( 0, 3, 0, 0, 0, 0 ) mov edx,[esp + 0ch] ; edx = "count" mov ecx,[esp + 4] ; ecx points to "dst" test edx,edx ; 0? jz short toend ; if so, nothing to do xor eax,eax mov al,[esp + 8] ; the byte "value" to be stored ; Special case large block zeroing using SSE2 support test al,al ; memset using zero initializer? jne dword_align cmp edx,0100h ; block size exceeds size threshold? jb dword_align cmp DWORD PTR __sse2_available,0 ; SSE2 supported? je dword_align jmp _VEC_memzero ; use fast zero SSE2 implementation ; no return ; Align address on dword boundary dword_align: push edi ; preserve edi mov edi,ecx ; edi = dest pointer cmp edx,4 ; if it's less then 4 bytes jb tail ; tail needs edi and edx to be initialized neg ecx and ecx,3 ; ecx = # bytes before dword boundary jz short dwords ; jump if address already aligned sub edx,ecx ; edx = adjusted count (for later) adjust_loop: mov [edi],al add edi,1 sub ecx,1 jnz adjust_loop dwords: ; set all 4 bytes of eax to [value] mov ecx,eax ; ecx=0/0/0/value shl eax,8 ; eax=0/0/value/0 add eax,ecx ; eax=0/0val/val mov ecx,eax ; ecx=0/0/val/val shl eax,10h ; eax=val/val/0/0 add eax,ecx ; eax = all 4 bytes = [value] ; Set dword-sized blocks mov ecx,edx ; move original count to ecx and edx,3 ; prepare in edx byte count (for tail loop) shr ecx,2 ; adjust ecx to be dword count jz tail ; jump if it was less then 4 bytes rep stosd main_loop_tail: test edx,edx ; if there is no tail bytes, jz finish ; we finish, and it's time to leave ; Set remaining bytes tail: mov [edi],al ; set remaining bytes add edi,1 sub edx,1 ; if there is some more bytes jnz tail ; continue to fill them ; Done finish: mov eax,[esp + 8] ; return dest pointer pop edi ; restore edi ret toend: mov eax,[esp + 4] ; return dest pointer ret
上面的代码相对简单,这里就不详细解释了。可以看到有一个名为 _VEC_memset 的标签(是一个具体函数)在满足条件时接管了此函数。即当同时满足:(1)_Val 为 0;(2) CPU 支持 SSE2,(3)_Size 达到某个阈值(这里是256字节)时,memset 将会跳转到 _VEC_memzero 分支。
关于 SSE2,我将引用 Intel 的文档内容简要介绍如下:
SSE2 全称是 Streaming SIMD Extention2, SIMD 全称是 Single-Instruction, Multiple-Data,是 Intel MMX 技术支持的一种单指令多数据运行模型,其目的为提高多媒体和通讯应用程序的性能。
由于多媒体数据处理的特征是,常见在大量的小元素(BYTE,WORD,DWORD 等)组成的连续数据上进行相同的操作,所以可以在一条指令中提高数据吞吐能力来提高效率(即每次把多个数据打包成一组进行相同的并行操作),即 SIMD。(我的解释性评论,2014年5月3日补充 -- hoodlum1980)
SSE2 在 Pentium 4 和 Intel Xeon 处理器中引入,提高了 3-D 图形,视频编码解码,语音识别,互联网,科学技术和工程应用程序的性能。提供 128-bit 的数据类型和相关指令,8 个 128-bit XMM 寄存器(XMM0~XMM7)。后面可以看到,当 CPU 支持 SSE2 时,memset 将采用 SSE2 进行批量设置,每条指令可赋值 16 Bytes。
通过 CPUID.01H (EAX=01H) 指令,如果 EDX.SSE2 [ bit 26 ] = 1,则支持 SSE2 扩展。
memset 是 msvcrt.dll (这个 Dll 有名称不同的多个版本)中的一个导出函数,但如果写一个简单的程序作为观察,编译器将不会让目标程序导入对应的 Dll,而是把 memset 直接插入到目标程序的代码段。
下面给出的是 _VEC_memzero 的汇编代码:
; void* _VEC_memzero(void* _Dst, int _Val(=0), size_t _Size); _VEC_memzero proc near ; CODE XREF: memset+27