strlen 的高效实现，充分利用位运算

处理字符串的时候，经常需要获得字符串的长度，C标准库提供了strlen这个函数，
实现一个普通的版本并不困难，大致上跟下面的代码类似。

unsigned int strlen(const char *s){ char *e = s; while (*e) e++; return (e-s);}

挨个判断字符是否为0，遇到0则退出，代码很简洁，也不算性能低。只是有点不足，
在字长是4字节或者8字节的计算机上，每次只读取一个字节，有些浪费计算机的能力，
如果每次都读取4字节或者8字节，总的读取次数就大大减少，在读取4字节或者8字节
的时候，如果地址不在边界上，机器就要分两次才能读取完成，这样性能将会降低，
弱化优化效果，所以前几个字符必须单独处理，然后从字长边界地址开始，每次读取
4字节或者8字节。

新的方式：

• 开头的几字节单独处理
• 中间部分以4字节或8字节为单位处理
• 最后几字节单独处理

看上去很好，但是还有一个问题，4字节或者8字节读取的时候，如何保证有全0的字节
存在，因为0是用来表示字符串的结尾的。判断连续的几个字节中是否存在全0的字节，
成了优化的关键。我们不能一个字节一个字节判断，因为优化的思想就是一次读取多个
字节，减少总的读取次数，单独判断每一个字节的话，就失去优化的效果了。

怎么办呢，当然首先考虑位运算了。

• 一个纯0的字节有什么特点? 很明显，每一位都是0，按位取反后每一位都是1。
• 一个全0的字节还有什么特点? 这个字节减1，必然要从更高字节借1，借1后，
  该字节的最高位必然是1。

似乎有些眉目了，以4字节整数n为例，我们只要把每个字节分别减去1，如果有纯0
的字节存在，必然会有借位，借位之后会在字节最高 位留下一个1。只要判断每个
字节的最高位是否存在1就可以了，然而，这里还有一个问题，就是这个4字节整数
里，某些字节本来最高 位可能就含有1，所以必须排除掉这些字节。

解决方案：

• 将n的每字节分别减1，再取每字节最高位，得x，借位的字节最高位一定是1
  
• 将n的每字节按位取反后取最高位，得y，n中最高位是0的字节，在y中该位是1
• 将x和y按位与运算，若不为0，则n存在某字节最高位不是1，但在借位时变1了

若n中存在全0字节，则 x&y 一定不为0，因为借位的那个字节最高位会被置为1；
若n中不存在全0字节，则不会产生借位，x&y 等于0。写出公式如下：
x&y ==  (n-0x01010101) & ~n & 0x80808080

如果是标准ASCII字符，每字节最高位一定是0，此时只考虑借位即可，不必考虑原本
最高位就是1的情况，用 x&y ==  (n-0x01010101) & 0x8080808 就可以了。

以下是glibc中strcat的实现，基于以上结论，就不难理解了。
注意：glibc还考虑了字长是8字节的情况。

#include <string.h>#include <stdlib.h>#undef strlensize_tstrlen (str) const char *str;{ const char *char_ptr; const unsigned long int *longword_ptr; unsigned long int longword, himagic, lomagic; for (char_ptr = str; ((unsigned long int) char_ptr & (sizeof (longword) - 1)) != 0; ++char_ptr) //将字长边界地址前的字节单独处理 if (*char_ptr == '/0') return char_ptr - str; longword_ptr = (unsigned long int *) char_ptr; himagic = 0x80808080L; //用来取得每一个字节的最高位 lomagic = 0x01010101L; //用来对每一个字节减去1 if (sizeof (longword) > 4) { himagic = ((himagic << 16) << 16) | himagic; lomagic = ((lomagic << 16) << 16) | lomagic; } if (sizeof (longword) > 8) abort (); for (;;) { longword = *longword_ptr++; if (((longword - lomagic) & ~longword & himagic) != 0) //是否存在全0的字节 { 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; } } }}