【揭秘】为什么switch...case比if...else执行效率高
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作者:李肖遥
来源:技术让梦想更伟大
在C语言中，条件判断语句是程序的重要组成部分，也是系统业务逻辑的控制手段，教科书告诉我们switch...case...语句比if...else if...else执行效率要高，但这到底是为什么呢？本文尝试从汇编的角度予以分析并揭晓其中的奥秘。
switch...case与if...else的根本区别
switch...case会生成一个跳转表来指示实际的case分支的地址，而这个跳转表的索引号与switch变量的值是相等的。从而，switch...case不用像if...else那样遍历条件分支直到命中条件，而只需访问对应索引号的表项从而到达定位分支的目的。
具体地说，switch...case会生成一份大小（表项数）为最大case常量＋1的跳表，程序首先判断switch变量是否大于最大case 常量，若大于，则跳到default分支处理；否则取得索引号为switch变量大小的跳表项的地址（即跳表的起始地址＋表项大小＊索引号），程序接着跳到此地址执行，到此完成了分支的跳转。
第一步，写一个demo程序：foo.c
#include
static int
foo_ifelse(char c)
{
if (c == '0' || c == '1') {
c += 1;
} else if (c == 'a' || c == 'b') {
c += 2;
} else if (c == 'A' || c == 'B') {
c += 3;
} else {
c += 4;
}
return (c);
}
static int
foo_switch(char c)
{
switch (c) {
case '1':
case '0': c += 1; break;
case 'b':
case 'a': c += 2; break;
case 'B':
case 'A': c += 3; break;
default: c += 4; break;
}
return (c);
}
int
main(int argc, char **argv)
{
int m1 = foo_ifelse('0');
int m2 = foo_ifelse('1');
int n1 = foo_switch('a');
int n2 = foo_switch('b');
(void) printf("%c %c %c %c\n", m1, m2, n1, n2);
return (0);
}
第二步，在Ubuntu上使用gcc编译
$ gcc -g -o foo foo.c
第三步，使用gdb对二进制文件foo反汇编 (使用intel语法)
o 反汇编foo_ifelse（）
(gdb) set disassembly-flavor intel
(gdb) disas /m foo_ifelse
Dump of assembler code for function foo_ifelse:
4 {
0x0804841d <+0>: push ebp
0x0804841e <+1>: mov ebp,esp
0x08048420 <+3>: sub esp,0x4
0x08048423 <+6>: mov eax,DWORD PTR [ebp+0x8]
0x08048426 <+9>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
5 if (c == '0' || c == '1') {
0x08048429 <+12>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x30
0x0804842d <+16>: je 0x8048435
0x0804842f <+18>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x31
0x08048433 <+22>: jne 0x8048441
6 c += 1;
0x08048435 <+24>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x08048439 <+28>: add eax,0x1
0x0804843c <+31>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
0x0804843f <+34>: jmp 0x804847b
7 } else if (c == 'a' || c == 'b') {
0x08048441 <+36>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x61
0x08048445 <+40>: je 0x804844d
0x08048447 <+42>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x62
0x0804844b <+46>: jne 0x8048459
8 c += 2;
0x0804844d <+48>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x08048451 <+52>: add eax,0x2
0x08048454 <+55>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
0x08048457 <+58>: jmp 0x804847b
9 } else if (c == 'A' || c == 'B') {
0x08048459 <+60>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x41
0x0804845d <+64>: je 0x8048465
0x0804845f <+66>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x42
0x08048463 <+70>: jne 0x8048471
10 c += 3;
0x08048465 <+72>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x08048469 <+76>: add eax,0x3
0x0804846c <+79>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
0x0804846f <+82>: jmp 0x804847b
11 } else {
12 c += 4;
0x08048471 <+84>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x08048475 <+88>: add eax,0x4
0x08048478 <+91>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
13 }
14
15 return (c);
0x0804847b <+94>: movsx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
16 }
0x0804847f <+98>: leave
0x08048480 <+99>: ret
End of assembler dump.
(gdb)o 反汇编foo_ifelse（）
(gdb) set disassembly-flavor intel
(gdb) disas /m foo_ifelse
Dump of assembler code for function foo_ifelse:
4 {
0x0804841d <+0>: push ebp
0x0804841e <+1>: mov ebp,esp
0x08048420 <+3>: sub esp,0x4
0x08048423 <+6>: mov eax,DWORD PTR [ebp+0x8]
0x08048426 <+9>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
5 if (c == '0' || c == '1') {
0x08048429 <+12>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x30
0x0804842d <+16>: je 0x8048435
0x0804842f <+18>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x31
0x08048433 <+22>: jne 0x8048441
6 c += 1;
0x08048435 <+24>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x08048439 <+28>: add eax,0x1
0x0804843c <+31>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
0x0804843f <+34>: jmp 0x804847b
7 } else if (c == 'a' || c == 'b') {
0x08048441 <+36>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x61
0x08048445 <+40>: je 0x804844d
0x08048447 <+42>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x62
0x0804844b <+46>: jne 0x8048459
8 c += 2;
0x0804844d <+48>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x08048451 <+52>: add eax,0x2
0x08048454 <+55>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
0x08048457 <+58>: jmp 0x804847b
9 } else if (c == 'A' || c == 'B') {
0x08048459 <+60>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x41
0x0804845d <+64>: je 0x8048465
0x0804845f <+66>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x42
0x08048463 <+70>: jne 0x8048471
10 c += 3;
0x08048465 <+72>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x08048469 <+76>: add eax,0x3
0x0804846c <+79>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
0x0804846f <+82>: jmp 0x804847b
11 } else {
12 c += 4;
0x08048471 <+84>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x08048475 <+88>: add eax,0x4
0x08048478 <+91>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
13 }
14
15 return (c);
0x0804847b <+94>: movsx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
16 }
0x0804847f <+98>: leave
0x08048480 <+99>: ret
End of assembler dump.
(gdb)
o 反汇编foo_switch（）
(gdb) set disassembly-flavor intel
(gdb) disas /m foo_switch
Dump of assembler code for function foo_switch:
20 {
0x08048481 <+0>: push ebp
0x08048482 <+1>: mov ebp,esp
0x08048484 <+3>: sub esp,0x4
0x08048487 <+6>: mov eax,DWORD PTR [ebp+0x8]
0x0804848a <+9>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
21 switch (c) {
0x0804848d <+12>: movsx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x08048491 <+16>: sub eax,0x30
0x08048494 <+19>: cmp eax,0x32
0x08048497 <+22>: ja 0x80484c6
0x08048499 <+24>: mov eax,DWORD PTR [eax*4+0x80485f0]
0x080484a0 <+31>: jmp eax
22 case '1':
23 case '0': c += 1; break;
0x080484a2 <+33>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x080484a6 <+37>: add eax,0x1
0x080484a9 <+40>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
0x080484ac <+43>: jmp 0x80484d1
24 case 'b':
25 case 'a': c += 2; break;
0x080484ae <+45>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x080484b2 <+49>: add eax,0x2
0x080484b5 <+52>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
0x080484b8 <+55>: jmp 0x80484d1
26 case 'B':
27 case 'A': c += 3; break;
0x080484ba <+57>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x080484be <+61>: add eax,0x3
0x080484c1 <+64>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
0x080484c4 <+67>: jmp 0x80484d1
28 default: c += 4; break;
0x080484c6 <+69>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x080484ca <+73>: add eax,0x4
0x080484cd <+76>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al
0x080484d0 <+79>: nop
29 }
30
31 return (c);
0x080484d1 <+80>: movsx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
32 }
0x080484d5 <+84>: leave
0x080484d6 <+85>: ret
End of assembler dump.
(gdb)
分析：
在foo_ifelse()中，采用的方法是按顺序比较，如满足条件，则执行对应的代码，否则跳转到下一个分支再进行比较；
在foo_switch()中，下面的这段汇编代码比较有意思，
..
21 switch (c) {
0x0804848d <+12>: movsx eax,BYTE PTR [ebp-0x4]
0x08048491 <+16>: sub eax,0x30
0x08048494 <+19>: cmp eax,0x32
0x08048497 <+22>: ja 0x80484c6
0x08048499 <+24>: mov eax,DWORD PTR [eax*4+0x80485f0]
0x080484a0 <+31>: jmp eax
..
注意：
第17行 jmp eax
也就是说，当c的取值不同，是什么机制保证第17行能跳转到正确的位置开始执行呢？
第16行: eax = [eax * 4 + 0x80485f0]
搞清楚了从地址0x80485f0开始，对应的内存里面的内容也就回答了刚才的问题。
执行完第16行后，
当c为'1'或'0'时， eax的值应该是0x080484a2；
当c为'b'或'a'时， eax的值应该是0x080484ae；
当c为'B'或'A'时， eax的值应该是0x080484ba；
通过gdb查看对应的内存，确实如此！
>>> ord('1') - 0x30
>>> ord('0') - 0x30
(gdb) x /2wx 0*4+0x80485f0
0x80485f0: 0x080484a2 0x080484a2
>>> ord('b') - 0x30
>>> ord('a') - 0x30
(gdb) x /2wx 49*4+0x80485f0
0x80486b4: 0x080484ae 0x080484ae
>>> ord('B') - 0x30
>>> ord('A') - 0x30
(gdb) x /2wx 17*4+0x80485f0
0x8048634: 0x080484ba 0x080484ba
那么，我们可以大胆的猜测，虽然c的取值不同但是跳转的IP确实是精准无误的，一定是编译阶段就被设定好了，果真如此吗？接下来分析一下对应的二进制文件foo,
第四步，使用objdump查看foo,
$ objdump -D foo > /tmp/x
$ vim /tmp/x
509 Disassembly of p .rodata:
...
518 80485f0: a2 84 04 08 a2 mov %al,0xa2080484
519 80485f5: 84 04 08 test %al,(%eax,%ecx,1)
...
534 8048630: c6 84 04 08 ba 84 04 movb $0x8,0x484ba08(%esp,%eax,1)
535 8048637: 08
536 8048638: ba 84 04 08 c6 mov $0xc6080484,%edx
...
566 80486b0: c6 84 04 08 ae 84 04 movb $0x8,0x484ae08(%esp,%eax,1)
567 80486b7: 08
568 80486b8: ae scas %es:(%edi),%al
569 80486b9: 84 04 08 test %al,(%eax,%ecx,1)
...
在0x80485f0地址，存的8个字节正好是0x080484a2, 0x080484a2 (注意：按照小端的方式阅读)
在0x80486b4地址，存的8个字节正好是0x080484ae, 0x080484ae
在0x8048634地址，存的8个字节正好是0x080484ba,0x080484ba
果然不出所料，要跳转的IP的值正是在编译的时候存入了.rodata（只读数据区）。一旦foo开始运行，对应的内存地址就填写上了正确的待跳转地址，接下来只不过是根据c的取值计算出对应的IP存放的内存起始地址X，从X中取出待跳转的地址，直接跳转就好。
16 0x08048499 <+24>: mov eax,DWORD PTR [eax*4+0x80485f0]
17 0x080484a0 <+31>: jmp eax
到此为止，我们已经搞清楚了为什么switch...case...语句相对于if...else if...else...来说执行效率要高的根本原因。简言之，编译的时候创建了一个map存于.rodata区中，运行的时候直接根据输入(c的值）查表，找到对应的IP后直接跳转。（省去了cmp, jmp -> cmp, jmp -> cmp, jmp...这一冗长的计算过程。）
总结：
switch...case...执行效率高，属于典型的以空间换时间。也就是说，（套用算法的行话）以提高空间复杂度为代价降低了时间复杂度。
题外话
大家去看看一本书《C++ Footprint and Performance Optimization》，里面的7章，第一节。然后根据大量的实际程序测试（不考虑不同的编译器优化程度差异，假设都是最好的优化），那么Switch语句击中第三个选项的时间跟if/else if语句击中第三个选项的时间相同。击中第一，第二选项的速度if语句快，击中第四以及第四之后的选项的速度switch语句快。所以，如果所有选项出现概率相同的话，结论就是：5个选项（包括default）的情况下，switch和if/else if相同。低于5个选项if快，高于5给选项switch快！
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