【揭秘】为什么switch...case比if...else执行效率高

 [[333956]]

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 <stdio.h>  
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 <foo_ifelse+24>  
   0x0804842f <+18>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x31  
   0x08048433 <+22>:    jne    0x8048441 <foo_ifelse+36>  
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 <foo_ifelse+94>  
7               } else if (c == 'a' || c == 'b') {  
   0x08048441 <+36>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x61  
   0x08048445 <+40>:    je     0x804844d <foo_ifelse+48>  
   0x08048447 <+42>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x62  
   0x0804844b <+46>:    jne    0x8048459 <foo_ifelse+60>  
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 <foo_ifelse+94>  
9               } else if (c == 'A' || c == 'B') {  
   0x08048459 <+60>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x41  
   0x0804845d <+64>:    je     0x8048465 <foo_ifelse+72>  
   0x0804845f <+66>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x42  
   0x08048463 <+70>:    jne    0x8048471 <foo_ifelse+84>  
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 <foo_ifelse+94>  
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 <foo_ifelse+24>  
   0x0804842f <+18>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x31  
   0x08048433 <+22>:    jne    0x8048441 <foo_ifelse+36>  
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 <foo_ifelse+94>  
7               } else if (c == 'a' || c == 'b') {  
   0x08048441 <+36>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x61  
   0x08048445 <+40>:    je     0x804844d <foo_ifelse+48>  
   0x08048447 <+42>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x62  
   0x0804844b <+46>:    jne    0x8048459 <foo_ifelse+60>  
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 <foo_ifelse+94>  
9               } else if (c == 'A' || c == 'B') {  
   0x08048459 <+60>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x41  
   0x0804845d <+64>:    je     0x8048465 <foo_ifelse+72>  
   0x0804845f <+66>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x42  
   0x08048463 <+70>:    jne    0x8048471 <foo_ifelse+84> 
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 <foo_ifelse+94>  
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 <foo_switch+69>  
   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 <foo_switch+80>  
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 <foo_switch+80>  
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 <foo_switch+80>  
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 <foo_switch+69>  
   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 section .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。

【责任编辑：庞桂玉 TEL：（010）68476606】