纸白微明，未成篇章。

风过空庭，字句正徐来。

结论

结论写在前面

1.
在 for 循环语句内定义局部循环变量，使用 AC6 编译器或者 GCC 编译器，都不会因此产生多次栈操作，而是会使用相同的两个堆栈偏址。如果开优化，当二者逻辑功能没有实际差异时，汇编将完全一样。
事实上在 for 循环的同时定义循环变量是一个优秀的操作。对于将所有局部变量的定义全部提前到函数头部，会产生事实上的负优化或无优化(依据优化等级和编译器不同)。
由此引申，如果追求极致的性能，应当仅在使用到局部变量的分支中声明该局部变量。

以下测试均以 stm32H7为目标编译

用如下的写法讨论局部变量的栈操作

for(int i = 0; i < 50; i++)
{
    for(int j = 0; j < 50; j++)
    {
        HAL_Delay(1);
    }
}

感性来看，第一个循环每进行一次，都会声明一个局部变量 j，那么是否会由此产生多次的栈申请操作呢?

这部分的反汇编如下

0x0000001e:       LDR      r0,[sp,#0]
0x00000020:       STR      r0,[sp,#8]
0x00000022:       B        {pc}+0x2 ; 0x24
0x00000024:       LDR      r0,[sp,#8]
0x00000026:       CMP      r0,#0x31
0x00000028:       BGT      {pc}+0x2c ; 0x54
0x0000002a:       B        {pc}+0x2 ; 0x2c
0x0000002c:       MOVS     r0,#0
0x0000002e:       STR      r0,[sp,#4]
0x00000030:       B        {pc}+0x2 ; 0x32
0x00000032:       LDR      r0,[sp,#4]
0x00000034:       CMP      r0,#0x31
0x00000036:       BGT      {pc}+0x14 ; 0x4a
0x00000038:       B        {pc}+0x2 ; 0x3a
0x0000003a:       MOVS     r0,#1
0x0000003c:       BL       HAL_Delay
0x00000040:       B        {pc}+0x2 ; 0x42
0x00000042:       LDR      r0,[sp,#4]
0x00000044:       ADDS     r0,#1
0x00000046:       STR      r0,[sp,#4]
0x00000048:       B        {pc}-0x16 ; 0x32
0x0000004a:       B        {pc}+0x2 ; 0x4c
0x0000004c:       LDR      r0,[sp,#8]
0x0000004e:       ADDS     r0,#1
0x00000050:       STR      r0,[sp,#8]
0x00000052:       B        {pc}-0x2e ; 0x24

外层循环

不是我们的主要讨论对象，反正就是会使用跳转将内层循环执行50次

0x0000001e:       LDR      r0,[sp,#0]
0x00000020:       STR      r0,[sp,#8]
0x00000022:       B        {pc}+0x2 ; 0x24
0x00000024:       LDR      r0,[sp,#8]
0x00000026:       CMP      r0,#0x31
0x00000028:       BGT      {pc}+0x2c ; 0x54
0x0000002a:       B        {pc}+0x2 ; 0x2c
; .....内层循环
0x0000004a:       B        {pc}+0x2 ; 0x4c
0x0000004c:       LDR      r0,[sp,#8]
0x0000004e:       ADDS     r0,#1
0x00000050:       STR      r0,[sp,#8]
0x00000052:       B        {pc}-0x2e ; 0x24

内层循环

0x0000002c:       MOVS     r0,#0
0x0000002e:       STR      r0,[sp,#4]
0x00000030:       B        {pc}+0x2 ; 0x32
0x00000032:       LDR      r0,[sp,#4]
0x00000034:       CMP      r0,#0x31
0x00000036:       BGT      {pc}+0x14 ; 0x4a
0x00000038:       B        {pc}+0x2 ; 0x3a
0x0000003a:       MOVS     r0,#1
0x0000003c:       BL       HAL_Delay
0x00000040:       B        {pc}+0x2 ; 0x42
0x00000042:       LDR      r0,[sp,#4]
0x00000044:       ADDS     r0,#1
0x00000046:       STR      r0,[sp,#4]
0x00000048:       B        {pc}-0x16 ; 0x32

CodeBlock Loading...

2c、2e 两句将 sp+4处堆栈的值置0

然后利用增1和跳转，执行50次循环

也就是每次执行外层循环都会有这套针对 sp+4处堆栈的操作逻辑，外层循环每次都是针对 sp+8处堆栈的操作逻辑

如果是预先定义局部变量呢？

改为如下写法

int i = 0;
int j = 0;
for(i = 0; i < 50; i++)
{
    for(j = 0; j < 50; j++)
    {
        HAL_Delay(1);
    }
}

CodeBlock Loading...

这部分的反汇编如下

0x0000001e:       LDR      r0,[sp,#0]
0x00000020:       STR      r0,[sp,#8]
0x00000022:       STR      r0,[sp,#4]
0x00000024:       STR      r0,[sp,#8]
0x00000026:       B        {pc}+0x2 ; 0x28
0x00000028:       LDR      r0,[sp,#8]
0x0000002a:       CMP      r0,#0x31
0x0000002c:       BGT      {pc}+0x2c ; 0x58
0x0000002e:       B        {pc}+0x2 ; 0x30
0x00000030:       MOVS     r0,#0
0x00000032:       STR      r0,[sp,#4]
0x00000034:       B        {pc}+0x2 ; 0x36
0x00000036:       LDR      r0,[sp,#4]
0x00000038:       CMP      r0,#0x31
0x0000003a:       BGT      {pc}+0x14 ; 0x4e
0x0000003c:       B        {pc}+0x2 ; 0x3e
0x0000003e:       MOVS     r0,#1
0x00000040:       BL       HAL_Delay
0x00000044:       B        {pc}+0x2 ; 0x46
0x00000046:       LDR      r0,[sp,#4]
0x00000048:       ADDS     r0,#1
0x0000004a:       STR      r0,[sp,#4]
0x0000004c:       B        {pc}-0x16 ; 0x36
0x0000004e:       B        {pc}+0x2 ; 0x50
0x00000050:       LDR      r0,[sp,#8]
0x00000052:       ADDS     r0,#1
0x00000054:       STR      r0,[sp,#8]
0x00000056:       B        {pc}-0x2e ; 0x28

CodeBlock Loading...

可以看出，其循环部分(26-56)与此前的写法(22-52)部分没有差异，反而多将(sp+4)与(sp+8)置零的两条语句，产生了负优化。

将循环复杂化是否会不一样

如下代码，与反汇编，占用的(sp+8)与(sp+12)，依然不会产生过多的堆栈操作

int test = 0;
for(int i = 0; i < 50; i++)
{
    for(int j = 0; j < 50; j++)
    {
        if((test & 0x01) == 0)
            HAL_Delay(1);
        else
            HAL_Delay(2);
    }
    test++;
}

CodeBlock Loading...

0x0000001e:    9801        ..      LDR      r0,[sp,#4]
0x00000020:    9004        ..      STR      r0,[sp,#0x10]
0x00000022:    9003        ..      STR      r0,[sp,#0xc]
0x00000024:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x26
0x00000026:    9803        ..      LDR      r0,[sp,#0xc]
0x00000028:    2831        1(      CMP      r0,#0x31
0x0000002a:    dc21        !.      BGT      {pc}+0x46 ; 0x70
0x0000002c:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x2e
0x0000002e:    2000        .       MOVS     r0,#0
0x00000030:    9002        ..      STR      r0,[sp,#8]
0x00000032:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x34
0x00000034:    9802        ..      LDR      r0,[sp,#8]
0x00000036:    2831        1(      CMP      r0,#0x31
0x00000038:    dc12        ..      BGT      {pc}+0x28 ; 0x60
0x0000003a:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x3c
0x0000003c:    f89d0010    ....    LDRB     r0,[sp,#0x10]
0x00000040:    07c0        ..      LSLS     r0,r0,#31
0x00000042:    b920         .      CBNZ     r0,{pc}+0xc ; 0x4e
0x00000044:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x46
0x00000046:    2001        .       MOVS     r0,#1
0x00000048:    f7fffffe    ....    BL       HAL_Delay
0x0000004c:    e003        ..      B        {pc}+0xa ; 0x56
0x0000004e:    2002        .       MOVS     r0,#2
0x00000050:    f7fffffe    ....    BL       HAL_Delay
0x00000054:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x56
0x00000056:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x58
0x00000058:    9802        ..      LDR      r0,[sp,#8]
0x0000005a:    3001        .0      ADDS     r0,#1
0x0000005c:    9002        ..      STR      r0,[sp,#8]
0x0000005e:    e7e9        ..      B        {pc}-0x2a ; 0x34
0x00000060:    9804        ..      LDR      r0,[sp,#0x10]
0x00000062:    3001        .0      ADDS     r0,#1
0x00000064:    9004        ..      STR      r0,[sp,#0x10]
0x00000066:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x68
0x00000068:    9803        ..      LDR      r0,[sp,#0xc]
0x0000006a:    3001        .0      ADDS     r0,#1
0x0000006c:    9003        ..      STR      r0,[sp,#0xc]
0x0000006e:    e7da        ..      B        {pc}-0x48 ; 0x26

CodeBlock Loading...

如下代码，将声明提前，依然产生负优化了

int test = 0;
int i    = 0;
int j    = 0;
for(i = 0; i < 50; i++)
{
    for(j = 0; j < 50; j++)
    {
        if((test & 0x01) == 0)
            HAL_Delay(1);
        else
            HAL_Delay(2);
    }
    test++;
}

CodeBlock Loading...

0x0000001e:    9801        ..      LDR      r0,[sp,#4]
0x00000020:    9004        ..      STR      r0,[sp,#0x10]
0x00000022:    9003        ..      STR      r0,[sp,#0xc]
0x00000024:    9002        ..      STR      r0,[sp,#8]
0x00000026:    9003        ..      STR      r0,[sp,#0xc]
0x00000028:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x2a
0x0000002a:    9803        ..      LDR      r0,[sp,#0xc]
0x0000002c:    2831        1(      CMP      r0,#0x31
0x0000002e:    dc21        !.      BGT      {pc}+0x46 ; 0x74
0x00000030:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x32
0x00000032:    2000        .       MOVS     r0,#0
0x00000034:    9002        ..      STR      r0,[sp,#8]
0x00000036:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x38
0x00000038:    9802        ..      LDR      r0,[sp,#8]
0x0000003a:    2831        1(      CMP      r0,#0x31
0x0000003c:    dc12        ..      BGT      {pc}+0x28 ; 0x64
0x0000003e:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x40
0x00000040:    f89d0010    ....    LDRB     r0,[sp,#0x10]
0x00000044:    07c0        ..      LSLS     r0,r0,#31
0x00000046:    b920         .      CBNZ     r0,{pc}+0xc ; 0x52
0x00000048:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x4a
0x0000004a:    2001        .       MOVS     r0,#1
0x0000004c:    f7fffffe    ....    BL       HAL_Delay
0x00000050:    e003        ..      B        {pc}+0xa ; 0x5a
0x00000052:    2002        .       MOVS     r0,#2
0x00000054:    f7fffffe    ....    BL       HAL_Delay
0x00000058:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x5a
0x0000005a:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x5c
0x0000005c:    9802        ..      LDR      r0,[sp,#8]
0x0000005e:    3001        .0      ADDS     r0,#1
0x00000060:    9002        ..      STR      r0,[sp,#8]
0x00000062:    e7e9        ..      B        {pc}-0x2a ; 0x38
0x00000064:    9804        ..      LDR      r0,[sp,#0x10]
0x00000066:    3001        .0      ADDS     r0,#1
0x00000068:    9004        ..      STR      r0,[sp,#0x10]
0x0000006a:    e7ff        ..      B        {pc}+0x2 ; 0x6c
0x0000006c:    9803        ..      LDR      r0,[sp,#0xc]
0x0000006e:    3001        .0      ADDS     r0,#1
0x00000070:    9003        ..      STR      r0,[sp,#0xc]
0x00000072:    e7da        ..      B        {pc}-0x48 ; 0x2a

CodeBlock Loading...

使用优化

O1

仍然是上面的循环复杂化

for 内声明

0x00000014:    2400        .$      MOVS     r4,#0
0x00000016:    bf00        ..      NOP      
0x00000018:    f0040501    ....    AND      r5,r4,#1
0x0000001c:    2632        2&      MOVS     r6,#0x32
0x0000001e:    bf00        ..      NOP      
0x00000020:    2002        .       MOVS     r0,#2
0x00000022:    2d00        .-      CMP      r5,#0
0x00000024:    bf08        ..      IT       EQ
0x00000026:    2001        .       MOVEQ    r0,#1
0x00000028:    f7fffffe    ....    BL       HAL_Delay
0x0000002c:    3e01        .>      SUBS     r6,#1
0x0000002e:    d1f7        ..      BNE      {pc}-0xe ; 0x20
0x00000030:    3401        .4      ADDS     r4,#1
0x00000032:    2c32        2,      CMP      r4,#0x32
0x00000034:    d1f0        ..      BNE      {pc}-0x1c ; 0x18

CodeBlock Loading...

将声明提前，二者完全一致

0x00000014:    2400        .$      MOVS     r4,#0
0x00000016:    bf00        ..      NOP      
0x00000018:    f0040501    ....    AND      r5,r4,#1
0x0000001c:    2632        2&      MOVS     r6,#0x32
0x0000001e:    bf00        ..      NOP      
0x00000020:    2002        .       MOVS     r0,#2
0x00000022:    2d00        .-      CMP      r5,#0
0x00000024:    bf08        ..      IT       EQ
0x00000026:    2001        .       MOVEQ    r0,#1
0x00000028:    f7fffffe    ....    BL       HAL_Delay
0x0000002c:    3e01        .>      SUBS     r6,#1
0x0000002e:    d1f7        ..      BNE      {pc}-0xe ; 0x20
0x00000030:    3401        .4      ADDS     r4,#1
0x00000032:    2c32        2,      CMP      r4,#0x32
0x00000034:    d1f0        ..      BNE      {pc}-0x1c ; 0x18

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O2

仍然是上面的循环复杂化

for 内声明

0x00000014:    2500        .%      MOVS     r5,#0
0x00000016:    bf00        ..      NOP      
0x00000018:    2402        .$      MOVS     r4,#2
0x0000001a:    2632        2&      MOVS     r6,#0x32
0x0000001c:    07e8        ..      LSLS     r0,r5,#31
0x0000001e:    bf08        ..      IT       EQ
0x00000020:    2401        .$      MOVEQ    r4,#1
0x00000022:    bf00        ..      NOP      
0x00000024:    4620         F      MOV      r0,r4
0x00000026:    f7fffffe    ....    BL       HAL_Delay
0x0000002a:    3e01        .>      SUBS     r6,#1
0x0000002c:    d1fa        ..      BNE      {pc}-0x8 ; 0x24
0x0000002e:    3501        .5      ADDS     r5,#1
0x00000030:    2d32        2-      CMP      r5,#0x32
0x00000032:    d1f1        ..      BNE      {pc}-0x1a ; 0x18

CodeBlock Loading...

将声明提前，二者完全一致

0x00000014:    2500        .%      MOVS     r5,#0
0x00000016:    bf00        ..      NOP      
0x00000018:    2402        .$      MOVS     r4,#2
0x0000001a:    2632        2&      MOVS     r6,#0x32
0x0000001c:    07e8        ..      LSLS     r0,r5,#31
0x0000001e:    bf08        ..      IT       EQ
0x00000020:    2401        .$      MOVEQ    r4,#1
0x00000022:    bf00        ..      NOP      
0x00000024:    4620         F      MOV      r0,r4
0x00000026:    f7fffffe    ....    BL       HAL_Delay
0x0000002a:    3e01        .>      SUBS     r6,#1
0x0000002c:    d1fa        ..      BNE      {pc}-0x8 ; 0x24
0x0000002e:    3501        .5      ADDS     r5,#1
0x00000030:    2d32        2-      CMP      r5,#0x32
0x00000032:    d1f1        ..      BNE      {pc}-0x1a ; 0x18

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O3

O3没有讨论价值，完全展开循环。

GCC 环境下的情况

将局部变量提前定义，同样是负优化

局部变量定义在 for 内，20条

局部变量先定义，24条

关于局部变量的栈行为——由循环语句内定义循环变量引申

关键洞察

关于局部变量的栈行为——由循环语句内定义循环变量引申

关键洞察

结论

用如下的写法讨论局部变量的栈操作

这部分的反汇编如下

外层循环

内层循环

如果是预先定义局部变量呢？

这部分的反汇编如下

将循环复杂化是否会不一样

使用优化

O1

O2

O3

GCC 环境下的情况

结论

用如下的写法讨论局部变量的栈操作

这部分的反汇编如下

外层循环

内层循环

如果是预先定义局部变量呢？

这部分的反汇编如下

将循环复杂化是否会不一样

使用优化

O1

O2

O3

GCC 环境下的情况