在 C 中使用 memcpy 将数组复制到结构，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

今天我使用简单的 for 循环从 ComplexStruct 复制到 ComplexArr，反之亦然：

//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;
}

有没有一种方法可以安全地使用 memcpy 至少一个方向？有没有比 for 循环更快的另一种方法？

Answer 1

您的编译器中的优化器应该可以很好地处理该代码，您无需进行太多更改即可使其达到最佳状态。但是，如果您将 ComplexStructVec 和 ComplexArrVec 传递给一个函数，您应该将它们标记为 restrict 以便编译器知道没有别名发生。像这样：

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，您消除了一大堆生成的代码，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 "restrict" 即可看到差异）。如果 NumEl 小于 18，它将把整个事情展开为每次迭代一次加载和一次存储。

Answer 2

是的，您可以使用 memcpy，但有几点需要注意：

数组和结构的布局相同，这意味着编译器不会对齐数组中的项或结构中的条目。
与结构和数组关联的内存大小相同。
您不关心对其他架构的可移植性（这可能会改变 #1 and/or #2 的答案）。
这不是一种理想的编程技术，因为它有一些潜在的缺陷，如上所述。

如果在上面的操作之后你还想这样做，下面的代码应该可以解决问题：

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

这样做的目的是，由于您在这两种情况下都使用向量（数组），因此您只需使用它们的名称即可获得它们的地址。 memcpy 将目标地址和源地址定义为 void *，因此我转换了参数。要复制的字节数是结构或数组（请参阅注释）的大小（以字节为单位）乘以向量中的条目数。可能不需要 (void *) 转换。这取决于编译器、语言标准级别和其他编译时限定符。

另请注意，我故意没有放置 return 值的位置，它是指向目标的指针。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（或更糟糕的运行时间）问题，具体取决于它是如何分配的（由编译器分配或在运行-次).

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 serializing/de-serializing。

结构的问题是不能保证它们具有一致的内存布局，就像数组一样。为了避免对齐问题，编译器可以随意在任何地方添加填充字节。如果结构只包含 8 个字节 double，则填充的可能性很小。但是，从形式上讲，它仍然不可移植。

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);

这是 "reasonably portable" 所有现实世界的系统。

另一种选择是通过添加 union 为结构体提供两个不同的变量表示形式，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，所以你应该仍然添加一个正式的静态断言。但这使您可以灵活地将数据内容用作单个成员或数组。

最后，C 实际上具有对复数的语言支持。 double _Complex是标准的C，complex.h是标准化的复杂库。参见 How to work with complex numbers in C?

在 C 中使用 memcpy 将数组复制到结构，反之亦然

Using memcpy for copying array to struct and vice versa in C

c

arrays

struct

memcpy