工程中uint8变量文件比uint32变量文件大4字节的问题排查

前言

（1）如果有嵌入式企业需要招聘湖南区域日常实习生，任何区域的暑假Linux驱动实习岗位，可C站直接私聊，或者邮件：zhangyixu02@gmail.com，此消息至2025年1月1日前均有效
（2）今天在一个交流群看到一个有意思的问题，网友问：开发32位单片机，能够使用unsigned char 就不使用unsigned int，这样是否可以节约内存呢？
（3）当时我看到这个问题是懵的，uint8怎么会比uint32更节省空间呢？
（4）学习本文之前，需要先了解数据的内存分配知识，所以需要各位先了解这篇博客：
RAM明明断电会丢失数据，为什么初始化的全局变量存储在RAM？详细分析程序的存储

网友问题解决思路

（1）首先申明一下这位网友的测试环境，是在STM32F103中进行的相关测试。

问题

（1）这位网友在测试代码工程的时候，发现将unsigned char修改为unsigned int的时候，工程代码会减少4字节。

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解决思路

（1）对于这个问题，很容易知道大体问题是在哪里。
<1>首先，这个是局部变量，他不会占用实际的空间，因此我们发现，实际变化的内存大小是在code段。
<2>其次，在32位的机器中，CPU寄存器都是32位的，因此在处理数据的时候，低于4字节数据会被提升到4字节再进行处理。
（2）那么，我们就可以大致的推断出，这个地方大概率是需要汇编指令进行字节提升，新增加的汇编指令导致code段增多了。
（3）既然有了上述的基础概念之后，就开始定位问题。
<1>第一步，查看map文件。我们需要知道，这个增加的汇编指令具体是在那个文件中。

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<2>对比uint8和uint32的map文件中Image component sizes部分，我们能够发现，提升的4字节果然是在main.o中，因此此时就知道是在main.c中的在汇编阶段导致的汇编代码不同的问题。

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<3>查看汇编，使用keil的Debug功能，能够帮我们看到汇编内容，直接在mian.c中开断点，对比汇编代码。我们能够发现，如果是uint32，只有一个BCC的指令，但是如果是uint8就是UXTB和BLT。

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<4>既然知道的区别之后，开始研读这几条汇编代码，进行对比分析。因为这里是无符号数据的对比，所以说，BCC和BLT其实是等效的。如果是有符号数据比较，那么就需要使用BLT。（这是arm汇编的内容，简单了解即可，不会的时候查谷歌、百度、chatgpt）

# uint8
UXTB   r4 , r0 ;将一个8位无符号字节零扩展为32位无符号整数，高位的24位填充为零
CMP    r4 , 0x64 ;将寄存器r4的值和0x64（十进制就是100）对比
BLT    0x0800aA8C ; 如果CMP指令的比较结果是负数（即r4<0x64），则跳转到0x0800aA8C 地址
# uint32
CMP    r4 , 0x64 ;将寄存器r4的值和0x64（十进制就是100）对比
BCC    0x0800aA8C ; 如果前一条CMP指令的比较结果没有产生进位（即r4>=0x64），则执行分支

<5>知道汇编代码的大致意思之后，此时就要考虑汇编代码的大小问题。通过询问chatgpt可知，这三条指令都是4字节，因此，当我们main.c中汇编之后多了一条汇编指令，code段就会增加4字节。

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扩展测试1

问题

（1）我们发现，上面测试的都是局部变量，我们要不试试全局变量看看结果如何？
（2）我们能够发现两个有意思的问题：
<1>对比两个全局变量，我们会发现，生成的代码一模一样。
<2>对比全局变量和局部变量：code段增加了，rodata不变，rw增加4字节，zi段减少了4字节。（这个我也不会，苦笑。查了很久资料，也调了很久，不知道为啥怎么是这样的结果。应该是工程中某些细节影响，具体细节没排查到）

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解决思路

（1）首先我们先看两个全局变量工程怎么会一模一样的。还是直接看map文件，通过对比map文件知道内存布局信息。
（2）我们能够发现main.o的RW-data确实少了3字节数据，但是呢，在(incl. Padding)，RW-data却多了3字节数据。

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（3）为什么在(incl. Padding)，RW-data却多了3字节数据呢？查阅资料可知，编译器为了满足对齐要求而在数据或代码之间插入额外的填充字节。一般来说，字节对齐只有两种可能：
<1>硬件要求： 许多计算机体系结构对于某些数据类型的访问有硬件对齐的要求。例如，一些处理器可能要求访问特定大小的数据类型的变量时，其地址必须是该数据类型大小的倍数。如果不满足这些要求，可能导致性能下降或者引发硬件异常。如果是采用的冯诺依曼结构，不进行字节对齐，可能导致指令和数据弄混淆。
<2>性能优化： 计算机系统通常会将数据加载到寄存器中进行处理，而寄存器的大小通常是2的幂。如果数据类型的大小是寄存器大小的倍数，那么从内存加载数据到寄存器的操作就更为高效。字节对齐可以确保数据在内存中的地址是寄存器大小的倍数，提高访问速度。
（4）因为这里的测试平台是STM32F103，采用的是CM3内核，因此我打开CM3内核手册可知，寄存器的PUSH和POP永远是4字节对齐的。因此，这里是硬件层面要求进行字节对齐操作。因此，uint8和uint32的全局变量产生的代码工程是一样的效果。

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扩展测试2

问题

（1）上面我们发现，uint8和uint32的全局变量结果一模一样。那么我们尝试创建两个全局变量试试呢？
（2）结果发现，RW-data增加了4字节，ZI-data增加4字节。

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解决思路

（1）依旧是看map文件，我们发现main.o的RW-data确实是从2字节变成了8字节，但是同时也少了2字节的字节对齐。因此RW-data是增加了4字节。

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（2）看ZI-data，发现这里会增加4字节对齐，具体原因不清楚

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总结

（1）关于uint8占用空间更多，还是uint32占用空间更多，这个取决于编译器的编译策略，硬件特性，性能优化。我们无法一概而论。正因如此，在目前内存不那么紧张的时代，不要过分的纠结于这个问题。什么时候用那个数据，就用那个，不要抱有心理负担。否则只会适得其反，拖慢研发速度。