為什么使用結(jié)構(gòu)體效率會(huì)高？通過匯編代碼給你講透！

作為一個(gè)有著十幾年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的嵌入式老桿子，一口君發(fā)現(xiàn)很多程序猿新手，在編寫代碼的時(shí)候，特別喜歡定義很多全局變量，寫個(gè)模塊，能定義幾百個(gè)全局變量，函數(shù)里面也是各種全局變量，這種屎山代碼效率低，難維護(hù)，幾乎無法移植，但是防御性極高?。ǚ彩露加袃擅嫘裕?/p>

很多新手之所以把這些變量封裝到一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，主要原因是圖方便，但是要知道，這其實(shí)是一個(gè)不好的習(xí)慣，而且會(huì)降低整體代碼的性能。

最近有幸與大神【公眾號(hào)：裸機(jī)思維】的傻孩子交流的時(shí)候，他聊到：“其實(shí)Cortex在架構(gòu)層面就是更偏好面向?qū)ο蟮模呐履阒皇鞘褂昧私Y(jié)構(gòu)體），其表現(xiàn)形式就是：Cortex所有的尋址模式都是間接尋址——換句話說一定依賴一個(gè)寄存器作為基地址。

舉例來說，同樣是訪問外設(shè)寄存器，過去在8位和16位機(jī)時(shí)代，人們喜歡給每一個(gè)寄存器都單獨(dú)綁定地址——當(dāng)作全局變量來訪問，而現(xiàn)在Cortex在架構(gòu)上更鼓勵(lì)底層驅(qū)動(dòng)以寄存器頁（也就是結(jié)構(gòu)體）為單位來定義寄存器，這也就是說，同一個(gè)外設(shè)的寄存器是借助擁有同一個(gè)基地址的結(jié)構(gòu)體來訪問的?！?/p>

以Cortex A9架構(gòu)為前提，下面一口君詳細(xì)給你解釋為什么使用結(jié)構(gòu)體效率會(huì)更高一些。

一、全局變量反匯編

1. 源文件

gcd.s

.text
.global?_start
_start:
??ldr??sp,=0x70000000?????????/*get?stack?top?pointer*/
??b??main

main.c

/*
?*?main.c
?*
?*??Created?on:?2020-12-12
?*??????Author:?pengdan
?*/
int?xx=0;
int?yy=0;
int?zz=0;

int?main(void)
{
?xx=0x11;
?yy=0x22;
?zz=0x33;

?while(1);
????return?0;
}

map.lds

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm",?"elf32-littlearm",?"elf32-littlearm")
/*OUTPUT_FORMAT("elf32-arm",?"elf32-arm",?"elf32-arm")*/
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
?.?=?0x40008000;
?.?=?ALIGN(4);
?.text??????:
?{
??gcd.o(.text)
??*(.text)
?}
?.?=?ALIGN(4);
????.rodata?:?
?{?*(.rodata)?}
????.?=?ALIGN(4);
????.data?:?
?{?*(.data)?}
????.?=?ALIGN(4);
????.bss?:
?????{?*(.bss)?}
}

Makefile

TARGET=gcd
TARGETC=main
all:
?arm-none-linux-gnueabi-gcc?-O1?-g?-c?-o?$(TARGETC).o??$(TARGETC).c
?arm-none-linux-gnueabi-gcc?-O1?-g?-c?-o?$(TARGET).o?$(TARGET).s
?arm-none-linux-gnueabi-gcc?-O1?-g?-S?-o?$(TARGETC).s??$(TARGETC).c
?arm-none-linux-gnueabi-ld?$(TARGETC).o?$(TARGET).o?-Tmap.lds??-o??$(TARGET).elf?
?arm-none-linux-gnueabi-objcopy?-O?binary?-S?$(TARGET).elf?$(TARGET).bin
?arm-none-linux-gnueabi-objdump?-D?$(TARGET).elf?>?$(TARGET).dis

clean:
?rm?-rf?*.o?*.elf?*.dis?*.bin

【交叉編譯工具，自行搜索安裝，或者后臺(tái)回復(fù)arm】

2. 反匯編結(jié)果：

由上圖可知，每存儲(chǔ)1個(gè)int型全局變量需要8個(gè)字節(jié)，

literal pool （文字池）占用4個(gè)字節(jié)

literal pool的本質(zhì)就是ARM匯編語言代碼節(jié)中的一塊用來存放常量數(shù)據(jù)而非可執(zhí)行代碼的內(nèi)存塊。

使用literal?pool?（文字池）的原因

當(dāng)想要在一條指令中使用一個(gè)?4字節(jié)長度的常量數(shù)據(jù)（這個(gè)數(shù)據(jù)可以是內(nèi)存地址，也可以是數(shù)字常量）的時(shí)候，由于ARM指令集是定長的（ARM指令4字節(jié)或Thumb指令2字節(jié)），所以就無法把這個(gè)4字節(jié)的常量數(shù)據(jù)編碼在一條編譯后的指令中。此時(shí)，ARM編譯器（編譯C源程序）/匯編器（編譯匯編程序）?就會(huì)在代碼節(jié)中分配一塊內(nèi)存，并把這個(gè)4字節(jié)的數(shù)據(jù)常量保存于此，之后，再使用一條指令把這個(gè)4?字節(jié)的數(shù)字常量加載到寄存器中參與運(yùn)算。

在C源代碼中，文字池的分配是由編譯器在編譯時(shí)自行安排的，在進(jìn)行匯編程序設(shè)計(jì)時(shí)，開發(fā)者可以自己進(jìn)行文字池的分配，如果開發(fā)者沒有進(jìn)行文字池的安排，那么匯編器就會(huì)代勞。

bss段占用4個(gè)字節(jié)

每訪問1次全局變量，總共需要3條指令，訪問3次全局變量用了12條指令。

14.?通過當(dāng)前pc值40008018偏移32個(gè)字節(jié)，找到xx變量的鏈接地址40008038，然后取出其內(nèi)容40008044存放在r3中，該值就是xx在bss段的地址
15.?通過將立即數(shù)0x11即#17賦值給r2
16.?將r2的內(nèi)讓那個(gè)寫入到r3對(duì)應(yīng)的指向的內(nèi)存，即xx標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存中

二、結(jié)構(gòu)體反匯編

1. 修改main.c如下：

?/*
??2??*?main.c???????????????????????????????????????????????????????????
??3??*
??4??*??Created?on:?2020-12-12
??5??*??????Author:?一口Linux
??6??*/
??7?struct
??8?{
??9?????int?xx;
?10?????int?yy;
?11?????int?zz;
?12?}peng;
?13?int?main(void)
?14?{
?15?????peng.xx=0x11;
?16?????peng.yy=0x22;
?17?????peng.zz=0x33;
?18?
?19?????while(1);
?20?????return?0;
?21?}

2. 反匯編代碼如下：

由上圖可知：

結(jié)構(gòu)體變量peng位于bss段，地址是4000802c訪問結(jié)構(gòu)體成員也需要利用pc找到結(jié)構(gòu)體變量peng對(duì)應(yīng)的文字池中地址40008028，然后間接找到結(jié)構(gòu)體變量peng地址4000802c

與定義成3個(gè)全局變量相比，優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)體的所有成員在literal pool 中共用同一個(gè)地址；而每一個(gè)全局變量在literal pool 中都有一個(gè)地址，節(jié)省了8個(gè)字節(jié)。訪問結(jié)構(gòu)體其他成員的時(shí)候，不需要再次裝載基地址，只需要2條指令即可實(shí)現(xiàn)賦值；訪問3個(gè)成員，總共需要7條指令，節(jié)省了5條指令彩！

所以對(duì)于需要大量訪問結(jié)構(gòu)體成員的功能函數(shù)，所有訪問結(jié)構(gòu)體成員的操作只需要加載一次基地址即可。

使用結(jié)構(gòu)體就可以大大的節(jié)省指令周期，而節(jié)省指令周期對(duì)于提高cpu的運(yùn)行效率自然不言而喻。

所以，重要問題說3遍，盡量使用結(jié)構(gòu)體盡量使用結(jié)構(gòu)體盡量使用結(jié)構(gòu)體

三、繼續(xù)優(yōu)化

那么指令還能不能更少一點(diǎn)呢？答案是可以的，
修改Makefile如下：

TARGET=gcd????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
TARGETC=main
all:
?????arm-none-linux-gnueabi-gcc?-Os???-lto?-g?-c?-o?$(TARGETC).o??$(TARGETC).c
?????arm-none-linux-gnueabi-gcc?-Os??-lto?-g?-c?-o?$(TARGET).o?$(TARGET).s
?????arm-none-linux-gnueabi-gcc?-Os??-lto?-g?-S?-o?$(TARGETC).s??$(TARGETC).c
?????arm-none-linux-gnueabi-ld???$(TARGETC).o????$(TARGET).o?-Tmap.lds??-o??$(TARGET).elf
?????arm-none-linux-gnueabi-objcopy?-O?binary?-S?$(TARGET).elf?$(TARGET).bin
?????arm-none-linux-gnueabi-objdump?-D?$(TARGET).elf?>?$(TARGET).dis
clean:
?????rm?-rf?*.o?*.elf?*.dis?*.bin

仍然用第二章的main.c文件

執(zhí)行結(jié)果

可以看到代碼已經(jīng)被優(yōu)化到5條。

14.?把peng的地址40008024裝載到r3中
15.?r0寫入立即數(shù)0x11
16.?r1寫入立即數(shù)0x22
17.?r0寫入立即數(shù)0x33
18.?通過stm指令將r0、r1、r2的值順序?qū)懭氲?0008024內(nèi)存中

彩！彩！彩！彩！

要想成為一名真正的底層大師，就一定要學(xué)習(xí)匯編代碼，我們學(xué)習(xí)的不僅僅是一門語言，更是一個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的哲學(xué)！

一口君從多年嵌入式研發(fā)項(xiàng)目提煉出關(guān)于arm的文章，并匯集成書《從零開始學(xué)ARM》其中本篇文章也收錄在這本書中。

目前已經(jīng)被全國上百家省、市、各大學(xué)圖書館收錄，很多粉絲都在當(dāng)?shù)氐膱D書館發(fā)來了

還有很多其他截圖就不分享了。

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