C标准库strlen函数详解

源码如下：

#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#undef strlen

#ifndef STRLEN
# define STRLEN strlen
#endif

/* Return the length of the null-terminated string STR.  Scan for
   the null terminator quickly by testing four bytes at a time.  */
size_t
STRLEN (const char *str)
{
  const char *char_ptr;
  const unsigned long int *longword_ptr;
  unsigned long int longword, himagic, lomagic;

  /* Handle the first few characters by reading one character at a time.
     Do this until CHAR_PTR is aligned on a longword boundary.  */
  for (char_ptr = str; ((unsigned long int) char_ptr
			& (sizeof (longword) - 1)) != 0;
       ++char_ptr)
    if (*char_ptr == '\0')
      return char_ptr - str;

  /* All these elucidatory comments refer to 4-byte longwords,
     but the theory applies equally well to 8-byte longwords.  */

  longword_ptr = (unsigned long int *) char_ptr;

  /* Bits 31, 24, 16, and 8 of this number are zero.  Call these bits
     the "holes."  Note that there is a hole just to the left of
     each byte, with an extra at the end:

     bits:  01111110 11111110 11111110 11111111
     bytes: AAAAAAAA BBBBBBBB CCCCCCCC DDDDDDDD

     The 1-bits make sure that carries propagate to the next 0-bit.
     The 0-bits provide holes for carries to fall into.  */
  himagic = 0x80808080L;
  lomagic = 0x01010101L;
  if (sizeof (longword) > 4)
    {
      /* 64-bit version of the magic.  */
      /* Do the shift in two steps to avoid a warning if long has 32 bits.  */
      himagic = ((himagic << 16) << 16) | himagic;
      lomagic = ((lomagic << 16) << 16) | lomagic;
    }
  if (sizeof (longword) > 8)
    abort ();

  /* Instead of the traditional loop which tests each character,
     we will test a longword at a time.  The tricky part is testing
     if *any of the four* bytes in the longword in question are zero.  */
  for (;;)
    {
      longword = *longword_ptr++;

      if (((longword - lomagic) & ~longword & himagic) != 0)
	{
	  /* Which of the bytes was the zero?  If none of them were, it was
	     a misfire; continue the search.  */

	  const char *cp = (const char *) (longword_ptr - 1);

	  if (cp[0] == 0)
	    return cp - str;
	  if (cp[1] == 0)
	    return cp - str + 1;
	  if (cp[2] == 0)
	    return cp - str + 2;
	  if (cp[3] == 0)
	    return cp - str + 3;
	  if (sizeof (longword) > 4)
	    {
	      if (cp[4] == 0)
		return cp - str + 4;
	      if (cp[5] == 0)
		return cp - str + 5;
	      if (cp[6] == 0)
		return cp - str + 6;
	      if (cp[7] == 0)
		return cp - str + 7;
	    }
	}
    }
}
libc_hidden_builtin_def (strlen)

剖析：1、下面这段代码解决的问题是 内存对齐 及 在内存对齐之前就出现字符串结尾标志 \0 的处理.
剖析：

for (char_ptr = str; ((unsigned long int) char_ptr
			& (sizeof (longword) - 1)) != 0;
       ++char_ptr)
    if (*char_ptr == '\0')
      return char_ptr - str;

什么是内存对齐？它有什么好处？

之前网上有一个例子，如果一个变量int 的起始地址偏移是3，那么CPU要取这个地址上的数据，需要取两次，为什么呢？

假设一个变量 在内存的位置 从地址 1开始存放数据，因为这个是int类型，它占用4个字节的内存空间。

我们用一个int 的模子「int模子是4个字节」来卡这个数据，实际上是这样操作的，第一次卡模子，只能从0开始>
第二次卡模子，再从4位置开始

从图片上可以明显看出来，我们需要CPU卡两次模子，才取到在内存里面的 int 变量

如果int 是按照内存对齐的方式存放的呢？

很明显，我们只需要卡一次模子就可以取到数据了。

内存对齐可以提升CPU效率，我们知道单字节对齐的效率应该是最低的。我们可以使用宏#pragma pack()来指定内存对齐的方式。

在win10 64操作系统中，使用Qt得到unsigned long int占用4个字节的内存空间

如果这个字符串str的首地址是4的倍数，则可加快处理速度。

再看下面这段代码：

((unsigned long int) char_ptr & (sizeof (longword) - 1)) != 0

sizeof(longword)为 4,则sizeof (longword) - 1)为3

3的二进制码为 00000000 00000000 00000000 00000011

char_ptr为一个指针，这个地址本质上也是一串2进制的数

后面的代码就好理解了，如果内存没有对齐，就判断char_ptr是否为\0,如果不是字符串的结尾，就对char_ptr进行自增运算。然后继续判断自增之后的char_ptr是否为4的倍数(即是否内存对齐)，如果在内存对齐之前就已经存在\0了，直接返回char_ptr - str就是字符串的长度。

2、内存对齐之后的操作

longword_ptr = (unsigned long int *) char_ptr;

在内存对齐的情况下，上面的这行代码强制类型转换是安全的。

3、高低位魔法数字himagic和lomagic的说明

  himagic = 0x80808080L;
  lomagic = 0x01010101L;
  if (sizeof (longword) > 4)
    {
      /* 64-bit version of the magic.  */
      /* Do the shift in two steps to avoid a warning if long has 32 bits.  */
      himagic = ((himagic << 16) << 16) | himagic;
      lomagic = ((lomagic << 16) << 16) | lomagic;
    }
  if (sizeof (longword) > 8)
    abort ();

himagic = 0x80808080L; => 10000000 10000000 10000000 10000000
lomagic = 0x01010101L; => 00000001 00000001 00000001 00000001

himagic = ((himagic << 16) << 16) | himagic;
lomagic = ((lomagic << 16) << 16) | lomagic;

上面这两行代码是对64位操作系统的扩展支持。

4、如果在内存对齐之前都没检测到\0，则进入后面的for(;;)循环

for(;;)
{
    longword = *longword_ptr++;    // 获取longword_ptr对应的unsigned long int 变量的值
    if (((longword - lomagic) & ~longword & himagic) != 0)
        {
            ......
        }
}

longword - lomagic : 判断longword中每个字节的最高位：如果longword中任何一个字节等于0，那么相减后最高位为由0变成1。其他的（小于128并且大于0）最高位则不变（依然为0）。如下图所示，只要longword有一个字节为0，那么相减之后的结果该字节对应的最高位就会变成1。

longword - lomagic 的结果连续跟~longword和himagic进行与运算之后的结果如下图所示：

因此这个if判断语句(((longword - lomagic) & ~longword & himagic) != 0)要表达的意思就是看longword 的4个字节中是否存在全0的字节，即字符串结尾的标志\0。

当找到这个全0字节的位置后，if里面的代码就很好理解了；如果这个longword 没有找到全0的字节，通过if语句上面的这条语句
longword = *longword_ptr++;来继续for循环，在后面紧接着的4个字节里面继续查找，直到找到字符串结尾的标志\0。

注意：if (((longword - lomagic) & ~longword & himagic) != 0)这个判断语句这么写还有一个好处，当longword中有字节的值超过128时，该判断依然有效，代码的鲁棒性更强。

为便于理解下面这个简单的代码运行起来就可以看效果了：

#include <stdio.h>
int main(){
    unsigned long int himagic = 0x80808080;
    unsigned long int lomagic = 0x01010101;
    unsigned long int longWord1 = 0xF1010067;
    unsigned long int longWord2 = 0xF1580067;
    unsigned long int longWord3 = 0xF158D367;

    unsigned long int result1 = (longWord1 - lomagic) & ~longWord1 & himagic;
    unsigned long int result2 = (longWord2 - lomagic) & ~longWord2 & himagic;
    unsigned long int result3 = (longWord3 - lomagic) & ~longWord3 & himagic;
    printf("result1 = 0x%p\n", result1);
    printf("result2 = 0x%p\n", result2);
    printf("result3 = 0x%p\n", result3);

    return 0;
}

结果如下图所示

本文内存对齐部分参考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/84387738
其余部分参考：
https://blog.youkuaiyun.com/astrotycoon/article/details/8124359