作為過(guò)來(lái)人，我發(fā)現(xiàn)很多程序猿新手，在編寫(xiě)代碼的時(shí)候，特別喜歡定義很多獨(dú)立的全局變量，而不是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。

另一方面，最近有幸與ARM公司的大神【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(huà)說(shuō)一定依賴(lài)一個(gè)寄存器作為基地址。

舉例來(lái)說(shuō)，同樣是訪(fǎng)問(wèn)外設(shè)寄存器，過(guò)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(lái)訪(fǎng)問(wèn)，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(yè)（也就是結(jié)構(gòu)體）為單位來(lái)定義寄存器，這也就是說(shuō)，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(lái)訪(fǎng)問(wèn)的。”

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】

2. 反匯編結(jié)果：

C語(yǔ)言為什么使用結(jié)構(gòu)體效率會(huì)高？一文給你講透

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(yǔ)言代碼節(jié)中的一塊用來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)的（ARM指令4字節(jié)或Thumb指令2字節(jié)），所以就無(wú)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(kāi)發(fā)者可以自己
進(jìn)行文字池的分配，如果開(kāi)發(fā)者沒(méi)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(fǎng)問(wèn)1次全局變量，總共需要3條指令，訪(fǎng)問(wèn)3次全局變量用了12條指令。

14. 通過(guò)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(guò)將立即數(shù)0x11即#17賦值給r2
16. 將r2的內(nèi)讓那個(gè)寫(xiě)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(fǎng)問(wèn)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(fǎng)問(wèn)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(fǎng)問(wèn)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(fǎng)問(wèn)結(jié)構(gòu)體成員的功能函數(shù)，所有訪(fǎng)問(wèn)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(wèn)題說(shuō)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(xiě)入立即數(shù)0x11
16. r1寫(xiě)入立即數(shù)0x22
17. r0寫(xiě)入立即數(shù)0x33
18. 通過(guò)stm指令將r0、r1、r2的值順序?qū)懭氲?0008024內(nèi)存中