C++ 数据类型及其对可执行文件大小的影响

Question

我基本上是 C++ 的新手，除了 10 多年前尝试学习这门语言然后放弃，因为我没有真正的项目来激励我......无论如何，我只是说我我几乎是 C++ 的新手，可以让你们知道我目前的知识水平。也就是说，我相当精通 Python 和 PHP。由于这两种语言都是松散类型的，我不太熟悉 C++ 中的类型转换对可执行文件大小的影响(如果有的话)。

我正在编写一个 Arduino 程序，从几个超声波距离传感器获取一些数据，并将这些数据应用于伺服控制算法。没问题，但我现在正在尝试优化我的代码，因为我已经接近 Arduino Micro 的 28,672 字节限制。我的第一个想法是尽可能将我的数据类型更改为 short int 和 char 之类的东西，希望它没有任何效果，或者稍微减少我的可执行文件大小。我发现，经过这些更改后，可执行文件的大小实际上增加了几百个字节。

C++ 知识比我多的人能否帮助我理解其中的原因，以及为什么我应该或不应该为我的变量选择尽可能小的数据类型？显然，结果决定了我应该在这里做什么，但我真的很想了解事情背后的“原因”，在谷歌搜索之后，我仍然不确定。

另外，如果要求不高的话；有没有人有一些提示，或有关为有限内存微 Controller (如 Arduino)优化 C++ 代码的一些信息的链接？

Answer 1

你问了很多事情，但这可以用一个例子来回答:

What I found is that the executable actually increased in size, after these changes, by a few hundred bytes.

... help me understand the reason for this ...

一般来说，您无法预测较小的数据类型是好还是坏，下面的一小段代码将证明这一点。

要了解发生了什么，您必须查看编译器生成的汇编代码。 AVR 工具链有一个组件可以生成这样的列表，通常是一个 .LSS 文件。我认为 Arduino 不支持这一点。下面的程序集列表是通过默认情况下驱动扩展列表的 Eclipse。

这是一个 LED 闪烁程序的一小部分，可以用来证明您的困惑。它有一个亮度值，它在循环中设置为 LED:

boolean fadein = true;
int bright = 0;   // we will change this data type int <-> int8_t

void loop() {

  // adjust brightness based on current direction
  if(fadein) {
    bright += 1;
  }
  else {
    bright -= 1;
  }

  // apply current light level
  analogWrite(13,bright);

为了演示，bright 变量在 1 字节和 2 字节 int 之间变化，我们比较汇编 list :

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比较增量线

下面是具有两种数据类型的增量行的 list :

// int bright - increment line - must load and store 2 bytes
// 18 bytes of code

    bright += 1;
 18a:   80 91 02 01     lds r24, 0x0102
 18e:   90 91 03 01     lds r25, 0x0103
 192:   01 96           adiw    r24, 0x01   ; 1
 194:   90 93 03 01     sts 0x0103, r25
 198:   80 93 02 01     sts 0x0102, r24

第一列是代码空间地址，第二列是实际代码字节，最后一列是汇编人类可读形式。 LDS是load from memory，ADIW是add，STS是storage back to memory

这是较小的数据类型，具有预期的结果:

// int8_t bright - increment line - only load and store 1 byte
// 10 bytes of code

   bright += 1;
 18a:   80 91 02 01     lds r24, 0x0102
 18e:   8f 5f           subi    r24, 0xFF   ; 255
 190:   80 93 02 01     sts 0x0102, r24

请注意 SUBI 255 而不是加 1 的奇怪之处——这是编译器开发者的技巧。

好了，如您所料，较小的数据类型会生成较小的代码。你是对的!哦等等，你已经说过你哪里不对了......

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比较函数调用

但是函数调用呢？ analogWrite() 方法需要一个 int，因此编译器将在需要时强制创建一个转换

// int - needs no type conversion, can directly load value 
// from addresses 0x0102 and 0x0103 and call
// 16 bytes code

 // apply current light level
  analogWrite(13,bright);
 1b0:   20 91 02 01     lds r18, 0x0102
 1b4:   30 91 03 01     lds r19, 0x0103     

 1b8:   8d e0           ldi r24, 0x0D   ; 13
 1ba:   b9 01           movw    r22, r18
 1bc:   0e 94 87 02     call    0x50e   ; 0x50e <analogWrite>

LDI 加载常量，MOVW 移动变量准备调用。

// int8_t - needs a type conversion before call
// 20 bytes code
 
  // apply current light level
  analogWrite(13,bright);
 1a0:   80 91 02 01     lds r24, 0x0102
 1a4:   28 2f           mov r18, r24
 1a6:   33 27           eor r19, r19
 1a8:   27 fd           sbrc    r18, 7
 1aa:   30 95           com r19
 
 1ac:   8d e0           ldi r24, 0x0D   ; 13
 1ae:   b9 01           movw    r22, r18
 1b0:   0e 94 76 02     call    0x4ec   ; 0x4ec <analogWrite>

类型转换不需要懂汇编就可以看到效果。较小的数据类型产生了更多代码。

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那到底是什么意思呢？较小的数据类型既减少了代码大小又增加了代码大小。除非你可以在头脑中编译代码，否则你无法通过检查来解决这个问题，你必须尝试一下。