就目前而言，在編程領(lǐng)域中，C語(yǔ)言的運(yùn)用非常之多，它兼顧了高級(jí)語(yǔ)言的匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，相較于其它編程語(yǔ)言具有較大優(yōu)勢(shì)。

以下為譯文：

在所有標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言<string.h>頭文件中聲明的字符串處理函數(shù)中，最常用的是那些用來(lái)復(fù)制和連接字符串的函數(shù)。這兩組函數(shù)都將字符從一個(gè)對(duì)象復(fù)制到另一個(gè)對(duì)象，并且都返回它們的第一個(gè)參數(shù)：指向目標(biāo)對(duì)象的起始指針。這種返回值的方式是導(dǎo)致函數(shù)效率低下的一個(gè)原因，而這正是本文要探討的主題。

本文中展示的示例代碼僅僅用于說(shuō)明目的。它們可能包含細(xì)微的錯(cuò)誤，不應(yīng)該被視為最佳代碼實(shí)踐。

這種返回函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)，有時(shí)候會(huì)被不明白其用途的用戶(hù)所質(zhì)疑。這樣的例子在StackOverflow網(wǎng)站上有不少，例如關(guān)于strcpy()返回值，或者C語(yǔ)言的strcpy為什么返回它的參數(shù)？的討論。簡(jiǎn)單的答案是，這是一個(gè)歷史性的意外。函數(shù)的第一個(gè)子集是由Unix第七版在1979年引入的，它由strcat、strncat、strcpy和strncpy函數(shù)組成。盡管這四個(gè)函數(shù)都在Unix的各種版本中使用，但通常情況下，對(duì)這些函數(shù)的調(diào)用卻沒(méi)有使用它們的返回值。盡管這些函數(shù)可以同樣很容易地定義為返回一個(gè)指針來(lái)指向最后一個(gè)復(fù)制的字符（或它的后一位），而且事實(shí)證明這種做法也非常有用。

兩個(gè)或多個(gè)字符串的連接操作的最佳復(fù)雜度和字符數(shù)量成線(xiàn)性關(guān)系。但是，如上所述，讓函數(shù)返回指向目標(biāo)字符串的指針會(huì)導(dǎo)致操作的效率明顯低于最佳效率。該函數(shù)遍歷源字符串序列和目標(biāo)字符串序列，并獲取指向這兩個(gè)序列末尾的指針。該指針指向函數(shù)（strncpy除外）附加到目標(biāo)序列上的字符串結(jié)束符NUL（'\0'）處或它的后一位。但是，如果返回的指針指向第一個(gè)字符而不是最后一個(gè)字符（或它的下一個(gè)字符），NUL結(jié)束符的位置會(huì)丟失，必須在需要時(shí)重新計(jì)算。這種做法的低效率可以在將兩個(gè)字符串s1和s2連接到目標(biāo)緩沖區(qū)d中的示例中得到說(shuō)明。將一個(gè)字符串添加到另一個(gè)字符串的慣用方法（雖然遠(yuǎn)非理想）是調(diào)用strcpy和strcat函數(shù)，如下所示：

為了執(zhí)行這個(gè)連接操作，除了同時(shí)發(fā)生的相應(yīng)地在d上的傳遞之外，一次在s1的傳遞和一次在s2上的傳遞是必須要執(zhí)行的操作，但是上面的調(diào)用在s1上進(jìn)行了兩次傳遞。讓我們把這些調(diào)用分成兩個(gè)語(yǔ)句。      

char *d1 = strcpy (d, s1); // pass 1 over s1
        strcat (d1, s2); // pass 2 over the copy of s1 in d

必須指出的是，除了效率低下之外，strcat和strcpy還因其緩沖區(qū)溢出的問(wèn)題而臭名昭著，因?yàn)樗鼈兌紝?duì)復(fù)制字符的數(shù)量不做任何限制。

克服局限性的嘗試

當(dāng)源字符串的長(zhǎng)度未知且目標(biāo)字符串大小固定時(shí)，遵循一些流行的安全編碼準(zhǔn)則來(lái)將連接結(jié)果限制為目標(biāo)區(qū)大小實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)冗余的傳遞。例如，按照CERT關(guān)于安全使用strncpy()和strncat() 的建議，并且目標(biāo)區(qū)的大小是dsize字節(jié)，我們可能會(huì)得到以下代碼。

為了避免一些冗余，程序員有時(shí)會(huì)選擇先計(jì)算字符串長(zhǎng)度，然后使用memcpy，如下所示。這種方法仍然效率不高，而且更容易出錯(cuò)，并且代碼難以閱讀和維護(hù)。

size_t s1len = strlen (s1);      // pass 1 over s1
    if (dsize <= s1len)
          s1len = dsize - 1;            // no need to nul-terminate
    memcpy (d, s1, s1len);           // pass 2 over s1
    size_t s2len = strlen (s2);      // pass 1 over s2
    if (dsize - s1len <= s2len)
          s2len = dsize - s1len - 1;
    memcpy (d + s1len, s2, s2len);   // pass 2, over s2
    d[s1len + s1len] = '\0';         // nul-terminate result

出于對(duì)代碼復(fù)雜性和可讀性的擔(dān)心，程序員們有時(shí)會(huì)使用snprintf函數(shù)進(jìn)行字符串連接。

一些編譯器（如GCC和Clang）試圖通過(guò)將非常簡(jiǎn)單的sprintf和snprintf調(diào)用轉(zhuǎn)換為strcpy或memcpy調(diào)用以提高效率，避免了對(duì)I/O函數(shù)的某些調(diào)用的開(kāi)銷(xiāo)（請(qǐng)參閱這個(gè)在線(xiàn)示例https:///z/RaWkyd）。然而，由于C庫(kù)中沒(méi)有等價(jià)的字符串函數(shù)，而只有當(dāng)snprintf調(diào)用被證明不會(huì)導(dǎo)致輸出的截?cái)鄷r(shí)，轉(zhuǎn)換才會(huì)完成，因此對(duì)snprintf的相應(yīng)轉(zhuǎn)換很少能夠發(fā)生。memcpy本身不合適，因?yàn)樗鼜?fù)制的字節(jié)數(shù)與指定的字節(jié)數(shù)完全相同，strncpy也不適合，因?yàn)樗涯繕?biāo)字符串的最后的NUL結(jié)束符之后的位數(shù)都覆蓋了。

由于字符串的冗余傳遞次數(shù)，將snprintf調(diào)用轉(zhuǎn)換為strlen和memcpy調(diào)用序列產(chǎn)生的額外開(kāi)銷(xiāo)，也被視為得不償失。在這個(gè)頁(yè)面上，標(biāo)題為Better builtin string functions部分列出了GCC優(yōu)化器在這方面的一些限制，以及改進(jìn)它的一些折中措施。

為了幫助解決這個(gè)問(wèn)題，在過(guò)去很多年里出現(xiàn)了很多超出標(biāo)準(zhǔn)C的庫(kù)解決方案。POSIX標(biāo)準(zhǔn)包括stpcpy和stpncpy函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法是如果找到NUL結(jié)束符，則返回指向該字符的指針。這些函數(shù)可以用來(lái)緩解上面提到的麻煩和低效率。

const char* stpcpy (char* restrict, const char* restrict);
    const char* stpncpy (char* restrict, const char* restrict, size_t);

char *ret = stpncpy (d, dsize, s1);   // zeroes out d beyond the end of s1
    dsize -= (ret - d);
    stpncpy (d, dsize, s2);               // again zeroes out d beyond the end

為了應(yīng)對(duì)針對(duì)strcpy和strcat函數(shù)的弱點(diǎn)以及上面討論的strncpy和strncat的一些缺點(diǎn)的緩沖區(qū)溢出攻擊，OpenBSD項(xiàng)目在20世紀(jì)90年代末引入了一對(duì)替代API（strlcpy和strlcat），旨在使字符串復(fù)制和連接更加安全(http://www./jtc1/sc22/wg14/www/docs/n2349.htm)。

size_t n = strlcpy (d, s1, dsize);
    dsize -= n;
    d += n;
    strlcpy (d, s2, dsize);

POSIX還定義了另一個(gè)函數(shù)memccpy，該函數(shù)具有上面討論過(guò)的所有理想屬性，可以用來(lái)解決上面的問(wèn)題。

• 和memchr一樣，它會(huì)掃描源序列以查找由其參數(shù)之一指定的字符的第一次出現(xiàn)。字符可以是任何值，包括零。

• 和strlcpy一樣，它最多將指定數(shù)量的字符從源序列復(fù)制到目標(biāo)序列，而不會(huì)寫(xiě)入超出其范圍。這解決了有關(guān)strncpy和stpncpy的低效率的報(bào)怨。

• 和stpcpy和stpncpy類(lèi)似（盡管不完全相同），它返回一個(gè)指針，該指針指向指定字符的副本（如果存在）的后一位。（回想一下stpcpy和stpncpy返回一個(gè)指向復(fù)制的NUL的指針。）這避免了strcpy和strncpy固有的低效性。

因此，可以使用memccpy重寫(xiě)上面的第一個(gè)示例（strcat（strcpy（d，s1，s2））以避免在字符串上進(jìn)行任何冗余傳遞，如下所示。請(qǐng)注意，這里使用SIZE_MAX作為大小限制,這個(gè)重寫(xiě)無(wú)法避免原始示例中存在的目標(biāo)緩沖區(qū)溢出的風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)避免。

memccpy (memccpy (d, s1, '\0', SIZE_MAX) - 1, s2, '\0', SIZE_MAX);

為了避免緩沖區(qū)溢出的風(fēng)險(xiǎn)，需要為每個(gè)調(diào)用確定適當(dāng)?shù)拇笮∠拗撇⒆鳛閰?shù)提供。因此，像在snprintf(d, dsize, '%s%s', s1, s2)函數(shù)中那樣限制目標(biāo)大小的連接調(diào)用，可以像下面這樣計(jì)算目標(biāo)大?。?/section>

char *p = memccpy (d, s1, '\0', dsize);
    dsize -= (p - d - 1);
    memccpy (p - 1, s2, '\0', dsize);


選擇一個(gè)解決方案

如果字符串函數(shù)返回指向最后一個(gè)存儲(chǔ)字符或它的后面一位的指針，而不是返回其第一個(gè)參數(shù)的值，則上面討論的效率問(wèn)題可以得到解決。然而，在現(xiàn)有函數(shù)使用了接近半個(gè)世紀(jì)后，對(duì)其進(jìn)行更改是不太可行的。

盡管解決現(xiàn)有C標(biāo)準(zhǔn)字符串函數(shù)的問(wèn)題是不可行的，但是可以通過(guò)添加一個(gè)或多個(gè)不受相同限制的函數(shù)來(lái)在新代碼中緩解這個(gè)問(wèn)題。由于C標(biāo)準(zhǔn)的章程正在對(duì)現(xiàn)有的實(shí)踐進(jìn)行編纂整理，所以C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)化委員有義不容辭的責(zé)任調(diào)查這種功能是否已經(jīng)存在于流行的實(shí)現(xiàn)中，如果已經(jīng)存在，則應(yīng)該考慮采納它們。如上文提到的這幾種解決方案。

在上面提到的解決方案中，memccpy函數(shù)是最通用和最高效的，它由ISO 標(biāo)準(zhǔn)支持。即使在POSIX標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)之外，它的應(yīng)用范圍最廣，爭(zhēng)議最小。

相比之下，stpcpy和stpncpy函數(shù)的通用性較差，stpncpy函數(shù)會(huì)產(chǎn)生不必要的開(kāi)銷(xiāo)，因此無(wú)法達(dá)到既定的目標(biāo)。這些函數(shù)在C2X中仍然值得采用，以提高移植性。詳情請(qǐng)參閱N2352–將stpcpy和stpncpy添加到C2X中的提案。

OpenBSD的strlcpy和strlcat函數(shù)雖然是最優(yōu)的，但是它們的通用性較差，支持范圍也較低，而且沒(méi)有得到ISO標(biāo)準(zhǔn)的指定。

memccpy函數(shù)不僅存在于Unix實(shí)現(xiàn)的子集中，它還由另一個(gè)名為ISO/IEC 9945的ISO標(biāo)準(zhǔn)指定。ISO/IEC 9945還有另外一個(gè)名字，也即大家熟知的IEEE Std 1003.1, 2017版，或者簡(jiǎn)言之- POSIX: memccpy，在那里它是作為XSI擴(kuò)展提供給C的。這個(gè)函數(shù)可以追溯到System V接口定義第1版（SVID1），最初于1985年發(fā)布。

memccpy甚至可以用于UNIX和POSIX以外的實(shí)現(xiàn)，例如：

• 安卓系統(tǒng)中的memccpy函數(shù),

• 蘋(píng)果Mac OS X中的memccpy函數(shù),

• BlackBerry Native SDK 的memccpy函數(shù)，

• Compaq Run-Time Library for VAX中的memccpy函數(shù),

• 微軟Visual Studio C Runtime Library中的 memccpy 函數(shù),

• IBM z/OS 中的memccpy函數(shù).

下面提供了一個(gè)簡(jiǎn)單（但是效率低下）的memccpy參考實(shí)現(xiàn)： 

 void* memccpy (void* restrict dst, const void* restrict src, int c, size_t n)
      {
        void *pc = memchr (src, c, n);
        void *ret;

        if (pc)
        {
          n = (char*)pc - (char*)src + 1;
          ret = (char*)dst + n;
        }
        else
          ret = 0;

        memcpy (dst, src, n);
        return ret;
      }

這個(gè)函數(shù)的一個(gè)更優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)可能如下。    

 void* memccpy (void* restrict dst, const void* restrict src, int c, size_t n)
      {
        const char *s = src;
        for (char *ret = dst; n; ++ret, ++s, --n)
        {
          *ret = *s;
          if ((unsigned char)*ret == (unsigned char)c)
            return ret + 1;
        }
        return 0;
      }


借助于memccpy的性能優(yōu)化，編譯器將能夠把對(duì)snprintf (d, dsize, '%s', s)函數(shù)的簡(jiǎn)單調(diào)用轉(zhuǎn)換為對(duì)memccpy(d, s, '\0', dsize)的最佳有效調(diào)用。通過(guò)以代碼大小換取速度，激進(jìn)的優(yōu)化器甚至可以將符合下列條件的snprintf函數(shù)調(diào)用(其格式字符串由多個(gè)%s指令組成，這些指令中間穿插有普通字符，如%s/%s)轉(zhuǎn)換成一系列的此類(lèi)memccpy函數(shù)調(diào)用：如下所示   

char *p = memccpy (d, s1, '\0', dsize);
      if (p)
      {
        --p;
        p = memccpy (p, '/', '\0', dsize - (p - d));
        if (p)
        {
          --p;
          p = memccpy (p, s2, '\0', dsize - (p - d));
        }
      }
      if (!p)
        d[dsize - 1] = '\0';

2019年4月WG14會(huì)議后的更新

將memccpy函數(shù)和本文討論的其他標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)（除了strlcpy和strlcat），以及另外兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)納入下一個(gè)C編程語(yǔ)言修訂版的提議于2019年4月提交給了C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（見(jiàn) 3, 4, 5和 6）。委員會(huì)最終決定采納memccpy函數(shù)，但否決了其余提案。

原文:https://developers./blog/2019/08/12/efficient-string-copying-and-concatenation-in-c/

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