百万点数组下memset、memcpy与for循环效率对比及原理分析
一.概述
做上百万数组赋值及拷贝的时候，不得不考虑效率问题，一般计算机低于十万的数组赋值拷贝基本不用考虑效率问题（基本在1毫秒内完成），本文会对百万以上的数组下赋值及拷贝进行效率分析和对比。
二.代码实测
1.测试环境：QT5
2.测试代码
#include <QTime>
#include <QDebug>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#define ARRAY_SIZE 5000000 //五百万
//必须定义为全局数组，不能定义为局部变量，数组太大，定义为局部变量运行会崩溃
double array1[ARRAY_SIZE];
// 定义第二个包含100万个double元素的数组
double array2[ARRAY_SIZE];
// 用于赋值的源数组
double source_array[ARRAY_SIZE];
int main(int argc, char *argv[])
{
// 定义第一个包含100万个double元素的数组
for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {
source_array[i] = (double)i;
}
qDebug() << "当前时间1：" << QTime::currentTime().toString("hh:mm:ss.zzz");
// 使用for循环将array1清零
for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {
array1[i] = 0.0;
}
qDebug() << "当前时间11：" << QTime::currentTime().toString("hh:mm:ss.zzz");
// 使用memset将array1再次清零
qDebug() << "当前时间2：" << QTime::currentTime().toString("hh:mm:ss.zzz");
memset(array1, 0, sizeof(double) * ARRAY_SIZE);
qDebug() << "当前时间22：" << QTime::currentTime().toString("hh:mm:ss.zzz");
// 使用for循环对array2进行赋值
qDebug() << "当前时间3：" << QTime::currentTime().toString("hh:mm:ss.zzz");
for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {
array2[i] = source_array[i];
}
qDebug() << "当前时间33：" << QTime::currentTime().toString("hh:mm:ss.zzz");
// 使用memcpy对array2进行内存拷贝赋值
qDebug() << "当前时间4：" << QTime::currentTime().toString("hh:mm:ss.zzz");
memcpy(array2, source_array, sizeof(double) * ARRAY_SIZE);
qDebug() << "当前时间44：" << QTime::currentTime().toString("hh:mm:ss.zzz");
return 0;
}
3.测试结果
五百万点的情况下log打印：
当前时间1： "10:27:43.122"
当前时间11： "10:27:43.136"
当前时间2： "10:27:43.136"
当前时间22： "10:27:43.143"
当前时间3： "10:27:43.143"
当前时间33： "10:27:43.158"
当前时间4： "10:27:43.158"
当前时间44： "10:27:43.163"
可以看到memset和memcpy是for循环时间的40%~50%，也就是效率能提升一倍。
三.原理分析
1.函数实现的底层优化
memset 和 memcpy 的底层实现：memset 和 memcpy 是标准库函数，它们在不同的操作系统和编译器中都经过了高度的底层优化。这些函数通常是用汇编语言实现的，汇编语言可以直接操作计算机的底层硬件，绕过了高级语言的一些开销。
示例：在 x86 架构上，memcpy 可能会使用 SSE（Streaming SIMD Extensions）或 AVX（Advanced Vector Extensions）等指令集。这些指令集允许在一个时钟周期内同时处理多个数据元素，从而显著提高了数据复制的速度。
2.减少函数调用开销
for 循环的函数调用开销：当使用 for 循环来复制或设置内存时，每次循环都可能涉及到一些额外的操作，如循环条件的判断、循环变量的更新等。这些操作在每次循环时都会重复执行，增加了程序的开销。
memset 和 memcpy 的一次性调用：memset 和 memcpy 是一次性调用的函数，它们在函数内部完成所有的内存操作，避免了多次函数调用的开销。
3.数据访问模式的优化
for 循环的数据访问模式：在 for 循环中，每次循环通常只处理一个数据元素，这种逐元素的访问模式可能会导致频繁的内存访问，从而降低了效率。
memset 和 memcpy 的批量数据处理：memset 和 memcpy 会以更大的块为单位来处理数据，这样可以减少内存访问的次数，提高缓存命中率。例如，memcpy 可能会一次复制 4 字节、8 字节甚至 16 字节的数据，而不是每次只复制一个字节。
4.编译器优化
for 循环的编译器优化限制：虽然现代编译器会对 for 循环进行一些优化，但由于 for 循环的逻辑可能比较复杂，编译器的优化能力有限。
memset 和 memcpy 的编译器优化：编译器通常会对 memset 和 memcpy 进行特殊的优化，因为它们是标准库函数，编译器可以更好地预测它们的行为，并进行针对性的优化。