为什么switch...case语句比if...else执行效率高
在C语言中，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。
第一步，写一个demo程序：foo.c
1 #include <stdio.h> 2 3 static int 4 foo_ifelse(char c) 5 { 6 if (c == '0' || c == '1') { 7 c += 1; 8 } else if (c == 'a' || c == 'b') { 9 c += 2; 10 } else if (c == 'A' || c == 'B') { 11 c += 3; 12 } else { 13 c += 4; 14 } 15 16 return (c); 17 } 18 19 static int 20 foo_switch(char c) 21 { 22 switch (c) { 23 case '1': 24 case '0': c += 1; break; 25 case 'b': 26 case 'a': c += 2; break; 27 case 'B': 28 case 'A': c += 3; break; 29 default: c += 4; break; 30 } 31 32 return (c); 33 } 34 35 int 36 main(int argc, char **argv) 37 { 38 int m1 = foo_ifelse('0'); 39 int m2 = foo_ifelse('1'); 40 int n1 = foo_switch('a'); 41 int n2 = foo_switch('b'); 42 (void) printf("%c %c %c %c\n", m1, m2, n1, n2); 43 return (0); 44 }
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（）
1 (gdb) set disassembly-flavor intel 2 (gdb) disas /m foo_ifelse 3 Dump of assembler code for function foo_ifelse: 4 4 { 5 0x0804841d <+0>: push ebp 6 0x0804841e <+1>: mov ebp,esp 7 0x08048420 <+3>: sub esp,0x4 8 0x08048423 <+6>: mov eax,DWORD PTR [ebp+0x8] 9 0x08048426 <+9>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al 10 11 5 if (c == '0' || c == '1') { 12 0x08048429 <+12>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x30 13 0x0804842d <+16>: je 0x8048435 <foo_ifelse+24> 14 0x0804842f <+18>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x31 15 0x08048433 <+22>: jne 0x8048441 <foo_ifelse+36> 16 17 6 c += 1; 18 0x08048435 <+24>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4] 19 0x08048439 <+28>: add eax,0x1 20 0x0804843c <+31>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al 21 0x0804843f <+34>: jmp 0x804847b <foo_ifelse+94> 22 23 7 } else if (c == 'a' || c == 'b') { 24 0x08048441 <+36>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x61 25 0x08048445 <+40>: je 0x804844d <foo_ifelse+48> 26 0x08048447 <+42>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x62 27 0x0804844b <+46>: jne 0x8048459 <foo_ifelse+60> 28 29 8 c += 2; 30 0x0804844d <+48>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4] 31 0x08048451 <+52>: add eax,0x2 32 0x08048454 <+55>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al 33 0x08048457 <+58>: jmp 0x804847b <foo_ifelse+94> 34 35 9 } else if (c == 'A' || c == 'B') { 36 0x08048459 <+60>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x41 37 0x0804845d <+64>: je 0x8048465 <foo_ifelse+72> 38 0x0804845f <+66>: cmp BYTE PTR [ebp-0x4],0x42 39 0x08048463 <+70>: jne 0x8048471 <foo_ifelse+84> 40 41 10 c += 3; 42 0x08048465 <+72>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4] 43 0x08048469 <+76>: add eax,0x3 44 0x0804846c <+79>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al 45 0x0804846f <+82>: jmp 0x804847b <foo_ifelse+94> 46 47 11 } else { 48 12 c += 4; 49 0x08048471 <+84>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4] 50 0x08048475 <+88>: add eax,0x4 51 0x08048478 <+91>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al 52 53 13 } 54 14 55 15 return (c); 56 0x0804847b <+94>: movsx eax,BYTE PTR [ebp-0x4] 57 58 16 } 59 0x0804847f <+98>: leave 60 0x08048480 <+99>: ret 61 62 End of assembler dump. 63 (gdb)
o 反汇编foo_switch（）
1 (gdb) set disassembly-flavor intel 2 (gdb) disas /m foo_switch 3 Dump of assembler code for function foo_switch: 4 20 { 5 0x08048481 <+0>: push ebp 6 0x08048482 <+1>: mov ebp,esp 7 0x08048484 <+3>: sub esp,0x4 8 0x08048487 <+6>: mov eax,DWORD PTR [ebp+0x8] 9 0x0804848a <+9>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al 10 11 21 switch (c) { 12 0x0804848d <+12>: movsx eax,BYTE PTR [ebp-0x4] 13 0x08048491 <+16>: sub eax,0x30 14 0x08048494 <+19>: cmp eax,0x32 15 0x08048497 <+22>: ja 0x80484c6 <foo_switch+69> 16 0x08048499 <+24>: mov eax,DWORD PTR [eax*4+0x80485f0] 17 0x080484a0 <+31>: jmp eax 18 19 22 case '1': 20 23 case '0': c += 1; break; 21 0x080484a2 <+33>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4] 22 0x080484a6 <+37>: add eax,0x1 23 0x080484a9 <+40>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al 24 0x080484ac <+43>: jmp 0x80484d1 <foo_switch+80> 25 26 24 case 'b': 27 25 case 'a': c += 2; break; 28 0x080484ae <+45>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4] 29 0x080484b2 <+49>: add eax,0x2 30 0x080484b5 <+52>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al 31 0x080484b8 <+55>: jmp 0x80484d1 <foo_switch+80> 32 33 26 case 'B': 34 27 case 'A': c += 3; break; 35 0x080484ba <+57>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4] 36 0x080484be <+61>: add eax,0x3 37 0x080484c1 <+64>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al 38 0x080484c4 <+67>: jmp 0x80484d1 <foo_switch+80> 39 40 28 default: c += 4; break; 41 0x080484c6 <+69>: movzx eax,BYTE PTR [ebp-0x4] 42 0x080484ca <+73>: add eax,0x4 43 0x080484cd <+76>: mov BYTE PTR [ebp-0x4],al 44 0x080484d0 <+79>: nop 45 46 29 } 47 30 48 31 return (c); 49 0x080484d1 <+80>: movsx eax,BYTE PTR [ebp-0x4] 50 51 32 } 52 0x080484d5 <+84>: leave 53 0x080484d6 <+85>: ret 54 55 End of assembler dump. 56 (gdb)
分析：
（1）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；
（2）在foo_switch()中，下面的这段汇编代码比较有意思，
.. 11 21 switch (c) { 12 0x0804848d <+12>: movsx eax,BYTE PTR [ebp-0x4] 13 0x08048491 <+16>: sub eax,0x30 14 0x08048494 <+19>: cmp eax,0x32 15 0x08048497 <+22>: ja 0x80484c6 <foo_switch+69> 16 0x08048499 <+24>: mov eax,DWORD PTR [eax*4+0x80485f0] 17 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 1 >>> ord('0') - 0x30 0 (gdb) x /2wx 0*4+0x80485f0 0x80485f0: 0x080484a2 0x080484a2 >>> ord('b') - 0x30 50 >>> ord('a') - 0x30 49 (gdb) x /2wx 49*4+0x80485f0 0x80486b4: 0x080484ae 0x080484ae >>> ord('B') - 0x30 18 >>> ord('A') - 0x30 17 (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。
