C++高性能转换大小写算法

简述

有一个需求，是需要将URL中的query参数的key全部转换为小写或者大写，键值对的数量有点多，但全部都是英文字母，无需考虑非字母的情况。
实现比较快的做法是使用STL或C标准库中的转换接口，如下：

#include <string> 
#include <cctype> 
#include <algorithm>

// 字符串中的大写字符转小写
std::string strtolower(std::string s)
{
    transform(s.begin(), s.end(), s.begin(), ::tolower);
    return s;
}

// 字符串中的小写字符转大写
std::string strtoupper(std::string s)
{
    transform(s.begin(), s.end(), s.begin(), ::toupper);
    return s;
}

这个方法虽然很好，但是效率不是很高。
分析了一下ascii码的码值，发现大小写字母的ascii码之间是有规律的。

原理

英文字母的ASCII码值表示如下

对比一下其二进制形式

从对比的结果可以看出，大写字母与小写字母的差别仅是一个比特位的不同。
因为它们的这个规律，可以写出下面的转换函数（如果输入不是字母，转出的结果会有错误）
可以查看数字0-9的ascii码值，可以看出它们的第6位都是0，所以转为小写的算法不会影响数字的值。
转小写算法中受到影响的，只有ascii码二进制表示中第六位为0的部分。其中非字母部分如下表

#include <iostream>
#include <string>
#include <stdint.h>
// 更优化
std::string strtoupper(std::string s)
{
    if(s.empty()){return s;}
    size_t len = s.size() + 1;
    size_t alignlen = len + 8 - (len % 8);
    s.resize(alignlen);
    size_t ec = alignlen / 8;
    uint64_t* p8 = (uint64_t*)s.data();
    for(size_t i=0;i<ec;++i){
        p8[i] &= 0xDFDFDFDFDFDFDFDF;
    }
    s.resize(len-1);
    return s;
}

// 未做进一步优化
std::string strtolower(std::string s)
{
    size_t len = s.size();
    size_t ec = len /8;
    uint64_t* p8 = (uint64_t*)s.data();
    for(size_t i=0;i<ec;++i){
        p8[i] |= 0x2020202020202020;
    }
    uint8_t* p1 = (uint8_t*)(p8 + ec);
    len %= 8;
    for(size_t i=0;i<len;++i){
        p1[i] |= 0x20;
    }
    return s;
}

性能测试

测试代码如下：

int main()
{
    //std::cout << "Hello, world!\n";
    for(size_t i=0;i<1000000;++i){
    std::string s = strtoupper("qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm````````QWERTYUIOPASDFGHJKLZXCVBNM");
    //std::cout<<s<<std::endl;
    s = strtolower("qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm\t\t\t\t\t\t\t\tQWERTYUIOPASDFGHJKLZXCVBNM");
    //std::cout<<s<<std::endl;
    }
    return 0;
}

--编译时候请勿优化，否则可能被优化掉！--
测试结果如下：
使用STL算法结果如下

time ./teststl
./teststl  7.88s user 0.03s system 100% cpu 7.904 total

自写代码测试结果如下

time ./test
./test  0.93s user 0.00s system 99% cpu 0.928 total

可以看到，其性能有差异。（应用场景有限）