在C中使用memcpy复制数组以构造，反之亦然。

Question

假设我有结构：

typedef struct {
double re;
double im;
}ComplexStruct;

和数组：

typedef double ComplexArr[2];// [0] -> real, [1] -> imag

今天，我将从ComplexStruct复制到ComplexArr，反之亦然，使用简单的for循环：

//ComplexArr to  ComplexStruct
for (i = 0 ; i < NumEl; i++)
{
     ComplexStructVec[i].re = ComplexArrVec[i][0];
     ComplexStructVec[i].im = ComplexArrVec[i][1];
}

//ComplexStruct to ComplexArr
for (i = 0 ; i < NumEl; i++)
{
     ComplexArrVec[i][0] = ComplexStructVec[i].re;
     ComplexArrVec[i][1] = ComplexStructVec[i].im;
}

有办法安全地使用memcpy至少一个方向吗？还有比for循环更快的方法吗？

Answer 1

编译器中的优化器应该能够很好地完成这些代码，您不需要对其进行太多的更改就可以使其优化。但是，如果要将ComplexStructVec和ComplexArrVec传递到函数中，则应该将它们标记为restrict，以便编译器知道不存在别名。如下所示：

void copy(ComplexStruct* restrict ComplexStructVec, const ComplexArr* ComplexArrVec)
{
    unsigned NumEl = 1000;
    for (unsigned i = 0 ; i < NumEl; i++)
    {
        ComplexStructVec[i].re = ComplexArrVec[i][0];
        ComplexStructVec[i].im = ComplexArrVec[i][1];
    }
}

通过这样做，您可以消除大量生成的代码，因为它不需要处理两个参数重叠的可能性。

演示：https://godbolt.org/z/F3DUaq (只需删除“限制”以查看差异)。如果NumEl小于18，它将在每次迭代时将整个事件展开为一个加载和一个存储。

Answer 2

是的，您可以使用memcpy，但有几个注意事项：

1. 数组和结构的布局是相同的，这意味着编译器不对齐数组中的项或结构中的项。
2. 与结构和数组关联的内存大小相同。
3. 您不关心其他体系结构的可移植性(这可能会改变#1和/或#2的答案)。
4. 这不是一种理想的编程技术，因为正如上面所指出的，它有一些潜在的缺陷。

如果在完成上述操作之后，您仍然希望这样做，那么下面的代码应该可以做到这一点：

/* NOTE: sizeof(ComplexStructVec) === sizeof(ComplexArrVec) */
memcpy((void *) ComplexStructVec,
       (void *) ComplexArrVec,
       sizeof(ComplexStructVec)*NumEl);

这是因为在这两种情况下都使用向量(数组)，所以只使用它们的名称就可以得到它们的地址。memcpy将目标地址和源地址定义为void *，因此我转换了参数。要复制的字节数是以字节为单位的结构或数组的大小(参见注)，乘以向量中的条目数。可能不需要(void *)强制转换。它取决于编译器、语言标准级别和其他编译时间限定符。

还要注意，我故意没有返回值的位置，返回值是指向目标的指针。如果您需要此信息，请小心，因为将其保存到ComplexStructVec可能会导致编译器(或更糟的是运行时)问题，这取决于编译器或运行时如何分配它。

一个更完整的例子：

void copy(ComplexStruct* ComplexStructVec, ComplexArr* ComplexArrVec)
{
    unsigned NumEl = 1000;
    memcpy(ComplexStructVec, ComplexArrVec, sizeof(ComplexStruct)*NumEl);
}

Answer 3

最可移植的方法是循环，如您的示例所示。这有时被称为结构的序列化/反序列化。

结构的问题是，它们不能保证具有一致的内存布局，就像数组一样。为了避免对齐问题，编译器可以任意添加填充字节。对于仅由8字节double组成的结构，填充是非常不可能的。但从形式上讲，它并不是便携的。

但是，您可以相当安全地执行以下操作：

_Static_assert(sizeof(ComplexStruct) == sizeof(double[2]), 
                 "Weird systems not supported");

ComplexStruct cs;
double arr[2];
memcpy(&cs, arr, sizeof arr);
memcpy(arr, &cs, sizeof arr);

这对于所有现实世界的系统来说都是“可移植的”。

另一个选项是通过添加一个union为结构提供两个不同的变量表示，如下所示：

typedef union {
  struct // C11 anonymous struct
  {
    double re;
    double im;
  };
  double arr[2];
}ComplexStruct;

内部结构可能仍然有填充，所以您仍然应该添加一个正式的静态断言。但这允许您灵活地将数据内容作为单独的成员或数组使用。

最后，C语言实际上支持复数。double _Complex是标准C，而complex.h是一个标准化的复杂库。请参阅How to work with complex numbers in C?