通过汇编码理解switch语句的原理

http://blog.chinaunix.net/u3/94078/showart.php?id=1888387

当需要多次比较时，switch语句的效率比if-else if…… else语句（以后简称muti－if语句）的效率要高，这是我一直以来的理解，但是昨晚讨论到一个问题，这种“高效率”如何实现？今天早上又看到 《更深入一点理解switch语句及c/c++对const的处理》和 《透过IL看C# (1)switch语句》这两篇文章，前者（以后为［1］）没有提及case语句中大跨度离散值的原理，后者（以后为［2］）使用的离散数据量又比较小，而且该文侧重于用C＃，由于不是很了解，不发表评论。

于是就写了一组程序，用gcc编译成汇编码（使用－S开关）， 通过解读这些汇编码可以很好的帮助理解switch的原理。文中所涉及的环境为如下,Linux version 2.6.27.5-117.fc10.i686 ([email protected]) (gcc version 4.3.2 20081105 (Red Hat 4.3.2-7) (GCC) ) #1 SMP Tue Nov 18 12:19:59 EST 2008(取自/proc/version)

1.三个数据的比较

程序1.1

int main(void)
{
    int i, n;
    switch(i){
        case 101:
            n = 1;
            break;
        case 102:
            n = 2;
            break;
        case 103:
            n = 3;
            break;
        default:
            n = 0;
            break;
    }
}

得到的汇编码1.1：

   .file    "switch.c"
    .text
.globl main
    .type    main, @function
main:
    leal    4(%esp), %ecx
    andl    $-16, %esp
    pushl    -4(%ecx)
    pushl    %ebp
    movl    %esp, %ebp
    pushl    %ecx
    subl    $24, %esp
    movl    -12(%ebp), %eax
    movl    %eax, -28(%ebp)
    cmpl    $102, -28(%ebp)
    je    .L4
    cmpl    $103, -28(%ebp)
    je    .L5
    cmpl    $101, -28(%ebp)
    jne    .L8
.L3:
    movl    $1, -8(%ebp)
    jmp    .L9
.L4:
    movl    $2, -8(%ebp)
    jmp    .L9
.L5:
    movl    $3, -8(%ebp)
    jmp    .L9
.L8:
    movl    $0, -8(%ebp)
.L9:
    addl    $24, %esp
    popl    %ecx
    popl    %ebp
    leal    -4(%ecx), %esp
    ret
    .size    main, .-main
    .ident    "GCC: (GNU) 4.3.2 20081105 (Red Hat 4.3.2-7)"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

这里可以看出switch语句的效率与muti－if语句的效率基本相当，［1］中认为：“gcc确实是把一些case语句转成了李维所说的那种方式进行处理,我们看见了代码中存在有众多的 cmpl 与 jmp 语句这就相当于你使用if..else..一样”，但是如果观察仔细的话，可以看出和if语句还是有区别的（事实上我第一次也没有细看，但是在后面的实验中，我发现了switch语句的优化，回过头来才发现）， switch 对比较的顺序自动进行了优化， cmpl的顺序与case的顺序是不同的， 先比较的是102， 然后才是103， 101，这就相当于我们人为的对muti-if语句进行了优先顺序调整，尽管结果可能与我们预期的不同，但是编译器的确这样做了， 这点在后面的实验中尤为明显。

在［2］中，作者说C＃在3个数据，且数据连续的情况下造表，在数据取值比较不连续的情况下也是造表然后填空数据，在数据取值非常不连续的情况下和muti-if比较相同，而且顺序与case的顺序相同。该文中对switch（int）的探讨也至此完结。

2.五个数据的比较

程序2.1 五个连续数据

int main(void)
{
    int i, n;
    switch(i){
        case 101:
            n = 1;
            break;
        case 102:
            n = 2;
            break;
        case 103:
            n = 3;
            break;
        case 104:
            n = 4;
            break;
        case 105:
            n = 5;
            break;
        default:
            n = 0;
            break;
    }
}

汇编码2.1：

.file    "switch.c"
    .text
.globl main
    .type    main, @function
main:
    leal    4(%esp), %ecx
    andl    $-16, %esp
    pushl    -4(%ecx)
    pushl    %ebp
    movl    %esp, %ebp
    pushl    %ecx
    subl    $24, %esp
    movl    -12(%ebp), %eax
    subl    $101, %eax
    movl    %eax, -28(%ebp)
    cmpl    $4, -28(%ebp)
    ja    .L2
    movl    -28(%ebp), %edx
    movl    .L8(,%edx,4), %eax
    jmp    *%eax
    .section    .rodata
    .align 4
    .align 4
.L8:
    .long    .L3
    .long    .L4
    .long    .L5
    .long    .L6
    .long    .L7
    .text
.L3:
    movl    $1, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L4:
    movl    $2, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L5:
    movl    $3, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L6:
    movl    $4, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L7:
    movl    $5, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L2:
    movl    $0, -8(%ebp)
.L11:
    addl    $24, %esp
    popl    %ecx
    popl    %ebp
    leal    -4(%ecx), %esp
    ret
    .size    main, .-main
    .ident    "GCC: (GNU) 4.3.2 20081105 (Red Hat 4.3.2-7)"

可以看出，这里switch确实如同［1］［2］中所述，编译器自造了.L8指向的表，表中标明了case跳转的入口，由此可见，这种情况下swithc效率确实比muti-if高， 通过减去最小值所的的偏移来在表中寻找跳转入口。

程序2.2 五个比较连续数据

int main(void)
{
    int i, n;
    switch(i){
        case 101:
            n = 1;
            break;
        case 103:
            n = 2;
            break;
        case 106:
            n = 3;
            break;
        case 109:
            n = 4;
            break;
        case 112:
            n = 5;
            break;
        default:
            n = 0;
            break;
    }
}

汇编码2.2：

   .file    "switch.c"
    .text
.globl main
    .type    main, @function
main:
    leal    4(%esp), %ecx
    andl    $-16, %esp
    pushl    -4(%ecx)
    pushl    %ebp
    movl    %esp, %ebp
    pushl    %ecx
    subl    $24, %esp
    movl    -12(%ebp), %eax
    subl    $101, %eax
    movl    %eax, -28(%ebp)
    cmpl    $11, -28(%ebp)
    ja    .L2
    movl    -28(%ebp), %edx
    movl    .L8(,%edx,4), %eax
    jmp    *%eax
    .section    .rodata
    .align 4
    .align 4
.L8:
    .long    .L3
    .long    .L2
    .long    .L4
    .long    .L2
    .long    .L2
    .long    .L5
    .long    .L2
    .long    .L2
    .long    .L6
    .long    .L2
    .long    .L2
    .long    .L7
    .text
.L3:
    movl    $1, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L4:
    movl    $2, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L5:
    movl    $3, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L6:
    movl    $4, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L7:
    movl    $5, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L2:
    movl    $0, -8(%ebp)
.L11:
    addl    $24, %esp
    popl    %ecx
    popl    %ebp
    leal    -4(%ecx), %esp
    ret
    .size    main, .-main
    .ident    "GCC: (GNU) 4.3.2 20081105 (Red Hat 4.3.2-7)"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

这里也如［2］所述， 建立了一个长度为case中最大值与最小值之差的表， case中未定义的则转到defalut来执行。

程序2.3 五个非常不连续的数据

int main(void)
{
    int i, n;
    switch(i){
        case 100:
            n = 1;
            break;
        case 120:
            n = 2;
            break;
        case 140:
            n = 3;
            break;
        case 160:
            n = 4;
            break;
        case 180:
            n = 5;
            break;
        default:
            n = 0;
            break;
    }
}

汇编码2.3：

    .file    "switch.c"
    .text
.globl main
    .type    main, @function
main:
    leal    4(%esp), %ecx
    andl    $-16, %esp
    pushl    -4(%ecx)
    pushl    %ebp
    movl    %esp, %ebp
    pushl    %ecx
    subl    $24, %esp
    movl    -12(%ebp), %eax
    movl    %eax, -28(%ebp)
    cmpl    $140, -28(%ebp)
    je    .L5
    cmpl    $140, -28(%ebp)
    jg    .L8
    cmpl    $100, -28(%ebp)
    je    .L3
    cmpl    $120, -28(%ebp)
    je    .L4
    jmp    .L2
.L8:
    cmpl    $160, -28(%ebp)
    je    .L6
    cmpl    $180, -28(%ebp)
    je    .L7
    jmp    .L2
.L3:
    movl    $1, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L4:
    movl    $2, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L5:
    movl    $3, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L6:
    movl    $4, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L7:
    movl    $5, -8(%ebp)
    jmp    .L11
.L2:
    movl    $0, -8(%ebp)
.L11:
    addl    $24, %esp
    popl    %ecx
    popl    %ebp
    leal    -4(%ecx), %esp
    ret
    .size    main, .-main
    .ident    "GCC: (GNU) 4.3.2 20081105 (Red Hat 4.3.2-7)"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

可以看到，这里switch又进行了二分法查找的优化， 而且当我 把程序中“100， 120， 140， 160， 180”的顺序任意打乱后，得到的汇编码都是相同的， 由此可以推测，switch在编译时会先获得case中的各值，然后进行排序，最后生成使用二分法优化的查找比较模式。

另外，我推测使用造表法和二分查表法的应该是依据case中最大值与最小值之差与case语句个数来取舍的。

3 更多数据的比较

这里我又进行了更多条case语句的比较，程序源代码和生成的汇编码可以通过附件下载，通过比较，结论与我上面的推测基本相同。

4 为什么C/C++中switch语句需要的是整型或字符型

我们知道，在C中，字符型实际上也是作为整型来存储的，所以这个问题实际上是指switch语句只支持整型数据。由上面的讨论可以知道char的结果与整型应该是相同的