前言

幾乎每本面向初學(xué)者的C語(yǔ)言或C++書籍在前面兩章都會(huì)提到分支控制語(yǔ)句if……else和switch……case，在某些情況下這兩種分支控制語(yǔ)句可以互相替換，但卻很少有人去深究在if……else和switch……case語(yǔ)句的背后到底有什么異同？應(yīng)該選擇哪一個(gè)語(yǔ)句才能使得效率最高？要回答這些問題，只能走到switch語(yǔ)句的背后，看看這些語(yǔ)句到底是怎么實(shí)現(xiàn)的。

基本格式

switch語(yǔ)句的基本格式如下：

switch (表達(dá)式) {
case 常量表達(dá)式1:《語(yǔ)句序列1》《break;》 //《》中的內(nèi)容可省
……
case 常量表達(dá)式n:《語(yǔ)句序列n》《break;》 //同上，下同
《default:語(yǔ)句序列》
}

其中：

• 表達(dá)式——稱為“條件表達(dá)式”，用作判斷條件，取值為整型、字符型、布爾型或枚舉型。
• 常量表達(dá)式——由常量構(gòu)成，取值類型與條件表達(dá)式相同。
• 語(yǔ)句序列——可以是一個(gè)語(yǔ)句也可以是一組語(yǔ)句。

if語(yǔ)句與switch語(yǔ)句

相信學(xué)過C/C++的同學(xué)對(duì)這兩個(gè)語(yǔ)句的異同早就了如指掌，if語(yǔ)句作為條件判斷，滿足條件進(jìn)入if語(yǔ)句塊，不滿足條件則進(jìn)入else語(yǔ)句塊，而且if和else語(yǔ)句塊又可以繼續(xù)嵌套if語(yǔ)句。switch則是通過判斷一個(gè)整型表達(dá)式的值來(lái)決定進(jìn)入到哪一個(gè)case語(yǔ)句中，如果所有case條件都不滿足則進(jìn)入到default語(yǔ)句塊。

//簡(jiǎn)單的if語(yǔ)句
if (a == 1)
 i = 1;
else if (a == 2)
 i = 2;
else
 i = 3;

//簡(jiǎn)單的switch語(yǔ)句
switch (a){
 case 1: i = 1;
 case 2: i = 2;
 default: i = 3;
}

編譯器如何實(shí)現(xiàn)switch語(yǔ)句？

現(xiàn)在編譯器已經(jīng)足夠智能和強(qiáng)大，經(jīng)過測(cè)試，g++實(shí)現(xiàn)switch語(yǔ)句的方式就至少有三種，編譯器會(huì)根據(jù)代碼的實(shí)際情況，權(quán)衡時(shí)間效率和空間效率，去選擇一個(gè)對(duì)當(dāng)前代碼而言綜合效率最高的一種。

編譯器實(shí)現(xiàn)switch語(yǔ)句的三種方式：

• 逐條件判斷
• 跳轉(zhuǎn)表
• 二分查找法

后面我們將就這三種實(shí)現(xiàn)方法適用的代碼場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試和分析。

1. 逐條件判斷法

逐條件判斷法其實(shí)就是和if……else語(yǔ)句的匯編實(shí)現(xiàn)相同，編譯器把switch語(yǔ)句中各個(gè)case條件逐個(gè)進(jìn)行判斷，直到找到正確的case語(yǔ)句塊。這種方法適用于switch語(yǔ)句中case條件很少的情況，即使逐個(gè)條件判斷也不會(huì)導(dǎo)致大量時(shí)間和空間的浪費(fèi)，比如下面這段代碼：

#include <algorithm>
int test_switch(){
 int i ;
 int a = std::rand();
 switch(a){
  case 0: i = 0;break;
  case 1: i = 1;break;
  case 2: i = 2;break;
  default: i = 3;break;
 }
 return i;
}

該代碼對(duì)應(yīng)的匯編代碼如下:

 movl -4(%rbp), %eax
 cmpl $1, %eax
 je .L3
 cmpl $2, %eax
 je .L4
 testl %eax, %eax
 jne .L8
 movl $0, -8(%rbp)
 jmp .L6
.L3:
 movl $1, -8(%rbp)
 jmp .L6
.L4:
 movl $2, -8(%rbp)
 jmp .L6
.L8:
 movl $3, -8(%rbp)
 nop

eax寄存器存儲(chǔ)的是判斷條件值（對(duì)應(yīng)于C++代碼中的a值），首先判斷a是否等于1，如果等于1則跳轉(zhuǎn)到.L3執(zhí)行a==1對(duì)應(yīng)的代碼段，然后判斷a是否等于2，如果等于2則跳轉(zhuǎn)到.L4執(zhí)行a==2對(duì)應(yīng)的代碼段……可能難理解的是第6行代碼testl %eax, %eax，其實(shí)這只是編譯器提高判斷一個(gè)寄存器是否為0效率的一個(gè)小技巧，如果eax不等于0則跳轉(zhuǎn)到.L8代碼段，執(zhí)行default代碼段對(duì)應(yīng)的代碼，如果eax等于0則執(zhí)行a==0對(duì)應(yīng)的代碼段。

由上面對(duì)編譯器生成匯編代碼的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)：編譯器在這種情況下使用逐個(gè)條件判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)switch語(yǔ)句。

2. 跳轉(zhuǎn)表實(shí)現(xiàn)法

在編譯器采用這種switch語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)方式的時(shí)候，會(huì)在程序中生成一個(gè)跳轉(zhuǎn)表，跳轉(zhuǎn)表存放各個(gè)case語(yǔ)句指令塊的地址，程序運(yùn)行時(shí)，首先判斷switch條件的值，然后把該條件值作為跳轉(zhuǎn)表的偏移量去找到對(duì)應(yīng)case語(yǔ)句的指令地址，然后執(zhí)行。這種方法適用于case條件較多，但是case的值比較連續(xù)的情況，使用這種方法可以提高時(shí)間效率且不會(huì)顯著降低空間效率，比如下面這段代碼編譯器就會(huì)采用跳轉(zhuǎn)表這種實(shí)現(xiàn)方式：

#include <algorithm>

int test_switch(){
 int i ;
 int a = std::rand();
 switch(a){
  case 0: i = 0;break;
  case 1: i = 1;break;
  case 2: i = 2;break;
  case 3: i = 3;break;
  case 4: i = 4;break;
  case 5: i = 5;break;
  case 6: i = 6;break;
  case 7: i = 7;break;
  case 8: i = 8;break;
  case 9: i = 9;break;
  default: i = 10;break;
 }
 return i;
}

該代碼對(duì)應(yīng)的匯編代碼如下：

 movl -4(%rbp), %eax
 movq .L4(,%rax,8), %rax
 jmp *%rax
.L4:
 .quad .L3
 .quad .L5
 .quad .L6
 .quad .L7
 .quad .L8
 .quad .L9
 .quad .L10
 .quad .L11
 .quad .L12
 .quad .L13
 .text
.L3:
 movl $0, -8(%rbp)
 jmp .L14
.L5:
 movl $1, -8(%rbp)
 jmp .L14
#后面省略……

在x64架構(gòu)中，eax寄存器是rax寄存器的低32位，此處我們可以認(rèn)為兩者值相等，代碼第一行是把判斷條件（對(duì)應(yīng)于C++代碼中的a值）復(fù)制到eax寄存器中，第二行代碼是把.L4段偏移rax寄存器值大小的地址賦值給rax寄存器，第三行代碼則是取出rax中存放的地址并且跳轉(zhuǎn)到該地址處。我們可以清楚的看到.L4代碼段就是編譯器為switch語(yǔ)句生成的存放于.text段的跳轉(zhuǎn)表，每種case均對(duì)應(yīng)于跳轉(zhuǎn)表中一個(gè)地址值，我們通過判斷條件的值即可計(jì)算出來(lái)其對(duì)應(yīng)代碼段地址存放的地址相對(duì)于.L4的偏移，從而實(shí)現(xiàn)高效的跳轉(zhuǎn)。

3. 二分查找法

如果case值較多且分布極其離散的話，如果采用逐條件判斷的話，時(shí)間效率會(huì)很低，如果采用跳轉(zhuǎn)表方法的話，跳轉(zhuǎn)表占用的空間就會(huì)很大，前兩種方法均會(huì)導(dǎo)致程序效率低。在這種情況下，編譯器就會(huì)采用二分查找法實(shí)現(xiàn)switch語(yǔ)句，程序編譯時(shí)，編譯器先將所有case值排序后按照二分查找順序?qū)懭雲(yún)R編代碼，在程序執(zhí)行時(shí)則采二分查找的方法在各個(gè)case值中查找條件值，如果查找到則執(zhí)行對(duì)應(yīng)的case語(yǔ)句，如果最終沒有查找到則執(zhí)行default語(yǔ)句。對(duì)于如下C++代碼編譯器就會(huì)采用這種二分查找法實(shí)現(xiàn)switch語(yǔ)句：

#include <algorithm>

int test_switch(){
  int i ;
  int a = std::rand();
  switch(a){
    case 4: i = 4;break;
    case 10: i = 10;break;
    case 50: i = 50;break;
    case 100: i = 100;break;
    case 200: i = 200;break;
    case 500: i = 500;break;
    default: i = 0;break;
  }
  return i;
}

改代碼段對(duì)應(yīng)的匯編代碼為：

    movl -4(%rbp), %eax
 cmpl $50, %eax
 je .L3
 cmpl $50, %eax
 jg .L4
 cmpl $4, %eax
 je .L5
 cmpl $10, %eax
 je .L6
 jmp .L2
.L4:
 cmpl $200, %eax
 je .L7
 cmpl $500, %eax
 je .L8
 cmpl $100, %eax
 je .L9
 jmp .L2

代碼第二行條件值首先與50比較，為什么是50而不是放在最前面的4？這是因?yàn)槎植檎沂紫炔檎业氖翘幱谥虚g的值，所以這里先與50進(jìn)行比較，如果eax等于50，則執(zhí)行case

50對(duì)應(yīng)代碼，如果eax值大于50則跳轉(zhuǎn)到.L4代碼段，如果eax小于50則繼續(xù)跟4比較……直至找到條件值或者查找完畢條件值不存在?？梢钥闯龆植檎曳ㄔ诒３至溯^高的查詢效率的同時(shí)又節(jié)省了空間占用。

總結(jié)

何時(shí)應(yīng)該使用if……else語(yǔ)句，何時(shí)應(yīng)該使用switch……case語(yǔ)句？

通過上面的分析我們可以得出結(jié)論，在可能條件比較少的時(shí)候使用if……else和switch……case所對(duì)應(yīng)的匯編代碼是相同的，所以兩者在性能上是沒有區(qū)別的，使用哪一種取決于個(gè)人習(xí)慣。如果條件較多的話，顯而易見switch……case的效率更高，無(wú)論是跳轉(zhuǎn)表還是二分查找都比if……else的順序查找效率更高，所以在這種情況下盡量選用switch語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)分支語(yǔ)句。當(dāng)然如果我們知道哪種條件出現(xiàn)的概率最高，我們可以將這個(gè)條件放在if判斷的第一個(gè)，使順序查找提前結(jié)束，這時(shí)使用if……else語(yǔ)句也可以達(dá)到較高的運(yùn)行效率。

switch語(yǔ)句也有他本身的局限性，即switch語(yǔ)句的值只能為整型，比如當(dāng)我們需要對(duì)一個(gè)double型數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷時(shí)，便無(wú)法使用switch語(yǔ)句，這時(shí)只能使用if……else語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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