深入理解Java的switch...case...语句

switch...case...中条件表达式的演进

• 最早时，只支持int、char、byte、short这样的整型的基本类型或对应的包装类型Integer、Character、Byte、Short常量
• JDK1.5开始支持enum，原理是给枚举值进行了内部的编号，进行编号和枚举值的映射
• 1.7开始支持String，但不允许为null。（原因可以看后文）

case表达式仅限字面值常量吗？

case表达式既可以用字面值常量，也可以用final修饰且初始化过的变量。例如以下代码可正常编译并执行：

    public static int test(int i) {
        final int j = 2;
        int result;
        switch (i) {
            case 0:
                result = 0;
                break;
            case j:
                result = 1;
                break;
            case 10:
                result = 4;
                break;
            default:
                result = -1;
        }
        return result;
    }

但是没有初始化就不行，比如下面的代码就无法通过编译

public class SwitchTest {

    private final int caseJ;

    public int test(int i) {
        int result;
        switch (i) {
            case 0:
                result = 0;
                break;
            case caseJ:
                result = 1;
                break;
            case 10:
                result = 4;
                break;
            default:
                result = -1;
        }
        return result;
    }

    SwitchTest(int caseJ) {
        this.caseJ = caseJ;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SwitchTest testJ = new SwitchTest(1);
        System.out.print(testJ.test(2));
    }
}

lookupswitch和tableswitch

下面两种几乎一样的代码，会编译出大相径庭的字节码。

lookupswitch

    public static int test(int i) {

        int result;
        switch (i) {
            case 0:
                result = 0;
                break;
            case 2:
                result = 1;
                break;
            case 10:
                result = 4;
                break;
            default:
                result = -1;
        }
        return result;
    }

对应字节码

  public static int test(int);
    Code:
       0: iload_0
       1: lookupswitch  { // 3
                     0: 36
                     2: 41
                    10: 46
               default: 51
          }
      36: iconst_0
      37: istore_1
      38: goto          53
      41: iconst_1
      42: istore_1
      43: goto          53
      46: iconst_4
      47: istore_1
      48: goto          53
      51: iconst_m1
      52: istore_1
      53: iload_1
      54: ireturn

tableswitch

    public static int test(int i) {

        int result;
        switch (i) {
            case 0:
                result = 0;
                break;
            case 2:
                result = 1;
                break;
            case 4:
                result = 4;
                break;
            default:
                result = -1;
        }
        return result;
    }

  public static int test(int);
    Code:
       0: iload_0
       1: tableswitch   { // 0 to 4
                     0: 36
                     1: 51
                     2: 41
                     3: 51
                     4: 46
               default: 51
          }
      36: iconst_0
      37: istore_1
      38: goto          53
      41: iconst_1
      42: istore_1
      43: goto          53
      46: iconst_4
      47: istore_1
      48: goto          53
      51: iconst_m1
      52: istore_1
      53: iload_1
      54: ireturn

两种字节码，最大的区别是执行了不同的指令：lookupswitch和tableswitch。

两种switch区别

• tableswitch使用了一个数组，通过下标可以直接定位到要跳转的行。但是在生成字节码时，有的行可能在源码中并不存在。通过这种方式可以获得O(1)的时间复杂度。
• lookupswitch维护了一个key-value的关系，通过逐个比较索引来查找匹配的待跳转的行数。而查找最好的性能是O(log n)，如二分查找。
  可见，通过用冗余的机器码，tableswitch换取了更好的性能。

但是，在分支比较少的情况下，O(log n)其实并不大。n=2时，log n 约为2.8；即使n=100, log n 约为 6.6，与1仍未达到1个数量级的差距。

何时生成tableswitch？何时生成lookupswitch？

在JDK1.8环境下，通过检索langtools这个包，可以在langtools/src/share/classes/com/sun/tools/javac/jvm/Gen.java看到以下代码：

long table_space_cost = 4 + ((long) hi - lo + 1); // words
long table_time_cost = 3; // comparisons
long lookup_space_cost = 3 + 2 * (long) nlabels;
long lookup_time_cost = nlabels;
int opcode =
     nlabels > 0 && table_space_cost + 3 * table_time_cost <= lookup_space_cost + 3 * lookup_time_cost
                ?
                tableswitch : lookupswitch;

这段代码的上下文：

• hi和lo分别代表值的上下限，是通过遍历switch...case...每个分支获取的。
• nlabels表示switch...case...的分支个数

可以看出，决策的条件综合考虑了时间复杂度(table_time_cost/lookup_time_cost)和空间复杂度(table_space_cost/lookup_space_cost)，并且时间复杂度的权重是空间复杂度的3倍。

存疑点：

• 各种幻数没有解释取值的原因，比如4、3，应该和具体细节实现有关。
• lookupswitch的时间复杂度使用的是nlabels而没有取log n。此处可以看做是近似计算。

switch...case...优于if...else...吗？

一般来说，更多的限制能带来更好的性能。
从上文可以看出，无论是tableswitch还是lookupswitch，都有对随机查找的优化，而if...else...是没有的，可以看下面的源码和字节码。

    public static int test2(int i) {

        int result;
        if(i == 0) {
            result = 0;
        } else if(i == 1) {
            result = 1;
        } else if(i == 4) {
            result = 4;
        } else {
            result = -1;
        }
        return result;
    }

  public static int test2(int);
    Code:
       0: iload_0
       1: ifne          9
       4: iconst_0
       5: istore_1
       6: goto          31
       9: iload_0
      10: iconst_1
      11: if_icmpne     19
      14: iconst_1
      15: istore_1
      16: goto          31
      19: iload_0
      20: iconst_4
      21: if_icmpne     29
      24: iconst_4
      25: istore_1
      26: goto          31
      29: iconst_m1
      30: istore_1
      31: iload_1
      32: ireturn

字符串常量的case表达式及字节码

举例如下，这段源码有两个特点：

1. case "ghi"分支里是没有赋值代码
2. case "test"分支和case "test2"分支相同

    public static int testString(String str) {

        int result = -4;
        switch (str) {
            case "abc":
                result = 0;
                break;
            case "def":
                result = 1;
                break;
            case "ghi":
                break;
            case "test":
            case "test2":
                result = 1;
                break;
            default:
                result = -1;
        }
        return result;
    }

对应字节码

  public static int testString(java.lang.String);
    Code:
       0: bipush        -4
       2: istore_1
       3: aload_0
       4: astore_2
       5: iconst_m1
       6: istore_3
       7: aload_2
       8: invokevirtual #2                  // Method java/lang/String.hashCode:()I
      11: lookupswitch  { // 5
                 96354: 60
                 99333: 74
                102312: 88
               3556498: 102
             110251488: 116
               default: 127
          }
      60: aload_2
      61: ldc           #3                  // String abc
      63: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
      66: ifeq          127
      69: iconst_0
      70: istore_3
      71: goto          127
      74: aload_2
      75: ldc           #5                  // String def
      77: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
      80: ifeq          127
      83: iconst_1
      84: istore_3
      85: goto          127
      88: aload_2
      89: ldc           #6                  // String ghi
      91: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
      94: ifeq          127
      97: iconst_2
      98: istore_3
      99: goto          127
     102: aload_2
     103: ldc           #7                  // String test
     105: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
     108: ifeq          127
     111: iconst_3
     112: istore_3
     113: goto          127
     116: aload_2
     117: ldc           #8                  // String test2
     119: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
     122: ifeq          127
     125: iconst_4
     126: istore_3
     127: iload_3
     128: tableswitch   { // 0 to 4
                     0: 164
                     1: 169
                     2: 174
                     3: 177
                     4: 177
               default: 182
          }
     164: iconst_0
     165: istore_1
     166: goto          184
     169: iconst_1
     170: istore_1
     171: goto          184
     174: goto          184
     177: iconst_1
     178: istore_1
     179: goto          184
     182: iconst_m1
     183: istore_1
     184: iload_1
     185: ireturn

可以看到与整型常量的不同：

1. String常量判等，先计算hashCode，在lookupswitch分支中再比较是否真正相等。这也是不支持null的原因，此时hashCode无法计算。
2. lookupswitch分支中，会给每个分支分配一个新下标值，作为后面的tableswitch的索引。源码中的分支语句统一在tableswitch中对应分支执行。

为什么要再生成一段tableswitch？从字节码来看，两个平行的分支（"test"和"test2"），虽然没有在tableswitch中用同一个数组下标，但是使用了同一个跳转行177，在这种情况下减少了字节码冗余。

枚举的case表达式及字节码

样例代码如下

    public static int testEnum(StatusEnum statusEnum) {

        int result;
        switch (statusEnum) {
            case INIT:
                result = 0;
                break;
            case FINISH:
                result = 1;
                break;
            default:
                result = -1;
        }
        return result;
    }

对应字节码

  public static int testEnum(com.example.StatusEnum);
    Code:
       0: getstatic     #9                  // Field com/example/SwitchTest$1.$SwitchMap$com$example$core$service$domain$enums$StatusEnum:[I
       3: aload_0
       4: invokevirtual #10                 // Method com/example/core/service/domain/enums/StatusEnum.ordinal:()I
       7: iaload
       8: lookupswitch  { // 2
                     1: 36
                     2: 41
               default: 46
          }
      36: iconst_0
      37: istore_1
      38: goto          48
      41: iconst_1
      42: istore_1
      43: goto          48
      46: iconst_m1
      47: istore_1
      48: iload_1
      49: ireturn

可以看到，使用了枚举的ordinal方法确定序号。

其他

通过查看字节码，可以发现源码的break关键字，对应的是字节码goto到具体行的语句。 如果不用break，那么对应的字节码就会“滑落”到下一行语句，继续执行。

附1——idea查看字节码方法

Mac下preference->Tools->External Tools，点击+，按如下页面配置即可。

Windows下需要将上图填入的javap改为javap.exe。

注意：每次查看字节码前，要确保对应类被重新编译，才能看到最新版。

附2——JDK7或8下，switch...case...使用字符串常量编译报错解决方式

这种情况的真实原因是，JDK设置不一致，IDE没有完全使用预期的编译器版本。
在IDEA里可以这样解决：
Project Settings -> Project 设置项目语言
如果仍未解决，检查
File -> Project Structure -> Modules, 查看所有模块是否都是预期的等级。
还有一处也可以看下File -> Settings -> Compiler -> Java Compiler. 这里可以设置项目及模块的编译器版本。

备注

文中所有log n均为以2为底n的对数。
本文的写作契机是参加公司的XX安全学习，提到了switch...case...和if...else...的性能有差异，因此花了一天研究了一番。

参考文档

通过字节码分析java中的switch语句
Difference between JVM's LookupSwitch and TableSwitch?
IntelliJ switch statement using Strings error: use -source 7
Intellij idea快速查看Java类字节码