再看一眼你的if-else-if语句,也许可以改成更快的switch-case

为了提供多路分支(multi-way branching )的能力,编程语言(如C语言)提供了选择语句(Slelection statements),如if语句和switch语句。但是多重的if-else-if语句在某些情况下执行效率较低,没有switch语句的运行速度快,我们需要灵活选择。

选择语句

C语言中的选择语句包含两种,其语法如下所示:

selection-statement:
    if ( expression ) statement
    if ( expression ) statement else statement 
    
    switch ( expression ) statement

对于测试多个不同条件的情况,可以采用if...else if...else 的格式,也可以采用带有多个case标签的switch语句。

if(test_expression == a)
    a();
else if(test_expression == b)
    b();
...
...
else if(test_expression == x)
    x();
else
  fun();

switch ( test_expression ) {
case a:
    statement_a;
    break;
case b:
    statement_b;
    break;
...
default:
   statement_default;
   break;
}

但是两者的运行速度上却有较大的差异。某些情况下,switch-caseif-else的运行速度更快。

实现机制

对于有多个判断条件的if语句,程序在执行时从第一个条件开始进行判断,如果测试条件为真,则执行相应的语句;如果不为真,则继续判断下一个条件。最快的情况下,需要到最后一个分之才能执行完成。对于分之较多的情况,效率尤其低下。

但是,switch语句得益于跳转表(jump table)的实现,可以根据测试条件直接跳转到相应的分支语句上去,不需要逐个对条件进行判断,在case数目很多的情况下也不会降低执行效率。

下面通过一个具体的测试程序对这一特性进行分析。

运行速度测试

这里通过一个包含10个分支的测试程序,对两种不同实现方式的运行速度进行对比和分析。

int test_if_else(int v)
{
    if(v == 1)
        return v * 13;
    else if(v == 2)
        return v * 23;
    else if(v == 3)
        return v * 33;
    else if(v == 4)
        return v * 43;
    else if(v == 5)
        return v * 53;
    else if(v == 6)
        return v * 63;
    else if(v == 7)
        return v * 73;
    else if(v == 8)
        return v * 83;
    else if(v == 9)
        return v * 93;
    else if(v == 10)
        return v * 103;
    else
        return 0;
}

对应的switch-case语句如下:

int test_switch_case(int v)
{
    switch(v){
    case 1:
        return v * 13;
    case 2:
        return v * 23;
    case 3:
        return v * 33;
    case 4:
        return v * 43;
    case 5:
        return v * 53;
    case 6:
        return v * 63;
    case 7:
        return v * 73;
    case 8:
        return v * 83;
    case 9:
        return v * 93;
    case 10:
        return v * 103; 
    default:
        return 0;
    }

}

通过一个测试程序,调用这两段代码,分别测试它们的运行时长。在测试中,假设各个测试条件出现的概率是相同的;在100000000次调用中,传入的参数是顺序循环出现的,依次执行11个分支。

void run_test()
{
    struct timeval start, end;
    double elapsed_us = 0;
    int i = 0, v = 0;

    /* run test with if-else-if */
    gettimeofday(&start, NULL);
    for(i = 0,v = 0; i<100000000L; i++)
        v += test_if_else( i%11 );
    gettimeofday(&end, NULL);

    elapsed_us = 1000000 * (end.tv_sec - start.tv_sec) + (end.tv_usec - start.tv_usec) ;
    printf("test_if_else ran %f usec, result = %u\n", elapsed_us, v);

    /* run test with switch-case */
    gettimeofday(&start, NULL);
    for(i = 0,v = 0; i<100000000L; i++)
        v += test_switch_case( i%11 );
    gettimeofday(&end, NULL);

    elapsed_us = 1000000 * (end.tv_sec - start.tv_sec) + (end.tv_usec - start.tv_usec) ;
    printf("test_switch_case run %f usec, result = %u\n", elapsed_us, v);
}
测试结果及分析
Ubuntu Linux (GCC 4.8.4)
Apple LLVM version 7.0.2 (clang-700.1.81)

从以上测试程序的运行结果可以看出,在编译器各种不同的优化级别下,switch-case都比if-else-if耗时更少。
同时,也可以看到clang在打开编译优化选项的情况下做了更多的优化,运行速度有显著提升。

跳转表(jump table

从汇编代码也能看出,针对switch-case跳转表,能够省掉绝大部分的比较操作,直接跳转到相应的执行分支。它首先判断C代码中default的条件是否成立,如果是,则直接返回;否则,则根据索引(switch index)的值直接引用跳转表对应位置的指令。如下所示。

        .globl  test_switch_case
        .type   test_switch_case, @function
test_switch_case:
.LFE40:
        .cfi_startproc
        subl     $1, %edi
        xorl     %eax, %eax
        cmpl     $9, %edi
        ja       .L15
        movl     CSWITCH.5(,%rdi,4), %eax
.L15:
        rep_ret
        .cfi_endproc
CSWITCH.5:
        .long  13
        .long  46
        .long  99
        .long  172
        .long  265
        .long  378
        .long  511
        .long  664
        .long  837
        .long  1030
        .ident "GCC: (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu~14.04.3) 4.8.4"
        .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

对于if-else-if,则需要从头开始,逐个执行比较操作,一直到匹配到成功的条件。以下是它对应的汇编代码:

.globl test_if_else
.type  test_if_else, @function
test_if_else:
.LFB39:
        .cfi_startproc
        cmpl     $1, %edi
        je       .L3
        cmpl     $2, %edi
        je       .L4
        cmpl     $3, %edi
        je       .L5
        cmpl     $4, %edi
        je       .L6
        cmpl     $5, %edi
        je       .L7
        cmpl     $6, %edi
        je       .L8
        cmpl     $7, %edi
        je       .L9
        cmpl     $8, %edi
        je       .L10
        cmpl     $9, %edi
        je       .L11
        xorl     %eax, %eax
        movl     $1030, %edx
        cmpl     $10, %edi
        cmove    %edx, %eax
        ret
.L6:    
        movl     $172, %eax
        ret
.L3:    
        movl     $13, %eax
        ret
.L4:    
        movl     $46, %eax
        ret
.L5:    
        movl     $99, %eax
        ret
.L7:    
        movl     $265, %eax
        ret
.L8:    
        movl     $378, %eax
        ret
.L9:    
        movl     $511, %eax
        ret
.L10:    
        movl     $664, %eax
        ret
.L11:    
        movl     $837, %eax
        ret
        .cfi_endproc
clang的优化分析

从以上的测试结果还看到一个有趣的现象,在MacOS上运行测试程序时,switch-caseif-else-if的执行速度相当,几乎没有差别。

通过分析产生的汇编代码可以发现,编译器已经将if-else-if优化成跳转表的实现方式了。以下是-O2选项情况下产生的汇编代码:

_test_if_else:                          ## @test_if_else
    .cfi_startproc
## BB#0:
    pushq   %rbp
Ltmp0:
    .cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp1:
    .cfi_offset %rbp, -16
    movq    %rsp, %rbp
Ltmp2:
    .cfi_def_cfa_register %rbp
    decl    %edi
    cmpl    $9, %edi
    ja  LBB0_2
## BB#1:                                ## %switch.lookup
    movslq  %edi, %rax
    leaq    l_switch.table2(%rip), %rcx
    movl    (%rcx,%rax,4), %eax
    popq    %rbp
    retq

l_switch.table2:
    .long   13                      ## 0xd
    .long   46                      ## 0x2e
    .long   99                      ## 0x63
    .long   172                     ## 0xac
    .long   265                     ## 0x109
    .long   378                     ## 0x17a
    .long   511                     ## 0x1ff
    .long   664                     ## 0x298
    .long   837                     ## 0x345
    .long   1030                    ## 0x406

总结

通过以上的对比分析,可以发现switch语句在运行速度上比if-else更有优势。但也不是所有的情况都适用,需要对不同的应用场景进行具体分析。
对于switch语句,它:

适用于
  • 判断的测试条件针对同一个变量
  • 分支较多(大于4个)
  • 测试变量的值在一个较小的、连续的范围,跨度不大
不适用于
  • 分支数较少(小于4个)
  • 测试条件的值分布比较稀疏
  • 测试条件不能基于同一个变量的值进行判断
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