“switch”比“if”快吗?

switch语句真的比if语句快吗?

我在Visual Studio 2010的x64 c++编译器上使用/Ox标志运行下面的代码:

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

#define MAX_COUNT (1 << 29)
size_t counter = 0;

size_t testSwitch()
{
    clock_t start = clock();
    size_t i;
    for (i = 0; i < MAX_COUNT; i++)
    {
        switch (counter % 4 + 1)
        {
            case 1: counter += 4; break;
            case 2: counter += 3; break;
            case 3: counter += 2; break;
            case 4: counter += 1; break;
        }
    }
    return 1000 * (clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC;
}

size_t testIf()
{
    clock_t start = clock();
    size_t i;
    for (i = 0; i < MAX_COUNT; i++)
    {
        const size_t c = counter % 4 + 1;
        if (c == 1) { counter += 4; }
        else if (c == 2) { counter += 3; }
        else if (c == 3) { counter += 2; }
        else if (c == 4) { counter += 1; }
    }
    return 1000 * (clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC;
}

int main()
{
    printf("Starting...\n");
    printf("Switch statement: %u ms\n", testSwitch());
    printf("If     statement: %u ms\n", testIf());
}

并得到了这些结果:

Switch语句:5261 ms If语句:5196毫秒

据我所知，switch语句显然使用跳转表来优化分支。

问题:

在x86或x64中，基本的跳转表是什么样的? 这段代码是否使用了跳转表? 为什么在这个例子中没有性能差异?是否存在存在显著性能差异的情况?

代码的反汇编:

testIf:

13FE81B10 sub  rsp,48h 
13FE81B14 call qword ptr [__imp_clock (13FE81128h)] 
13FE81B1A mov  dword ptr [start],eax 
13FE81B1E mov  qword ptr [i],0 
13FE81B27 jmp  testIf+26h (13FE81B36h) 
13FE81B29 mov  rax,qword ptr [i] 
13FE81B2E inc  rax  
13FE81B31 mov  qword ptr [i],rax 
13FE81B36 cmp  qword ptr [i],20000000h 
13FE81B3F jae  testIf+0C3h (13FE81BD3h) 
13FE81B45 xor  edx,edx 
13FE81B47 mov  rax,qword ptr [counter (13FE835D0h)] 
13FE81B4E mov  ecx,4 
13FE81B53 div  rax,rcx 
13FE81B56 mov  rax,rdx 
13FE81B59 inc  rax  
13FE81B5C mov  qword ptr [c],rax 
13FE81B61 cmp  qword ptr [c],1 
13FE81B67 jne  testIf+6Dh (13FE81B7Dh) 
13FE81B69 mov  rax,qword ptr [counter (13FE835D0h)] 
13FE81B70 add  rax,4 
13FE81B74 mov  qword ptr [counter (13FE835D0h)],rax 
13FE81B7B jmp  testIf+0BEh (13FE81BCEh) 
13FE81B7D cmp  qword ptr [c],2 
13FE81B83 jne  testIf+89h (13FE81B99h) 
13FE81B85 mov  rax,qword ptr [counter (13FE835D0h)] 
13FE81B8C add  rax,3 
13FE81B90 mov  qword ptr [counter (13FE835D0h)],rax 
13FE81B97 jmp  testIf+0BEh (13FE81BCEh) 
13FE81B99 cmp  qword ptr [c],3 
13FE81B9F jne  testIf+0A5h (13FE81BB5h) 
13FE81BA1 mov  rax,qword ptr [counter (13FE835D0h)] 
13FE81BA8 add  rax,2 
13FE81BAC mov  qword ptr [counter (13FE835D0h)],rax 
13FE81BB3 jmp  testIf+0BEh (13FE81BCEh) 
13FE81BB5 cmp  qword ptr [c],4 
13FE81BBB jne  testIf+0BEh (13FE81BCEh) 
13FE81BBD mov  rax,qword ptr [counter (13FE835D0h)] 
13FE81BC4 inc  rax  
13FE81BC7 mov  qword ptr [counter (13FE835D0h)],rax 
13FE81BCE jmp  testIf+19h (13FE81B29h) 
13FE81BD3 call qword ptr [__imp_clock (13FE81128h)] 
13FE81BD9 sub  eax,dword ptr [start] 
13FE81BDD imul eax,eax,3E8h 
13FE81BE3 cdq       
13FE81BE4 mov  ecx,3E8h 
13FE81BE9 idiv eax,ecx 
13FE81BEB cdqe      
13FE81BED add  rsp,48h 
13FE81BF1 ret

testSwitch:

13FE81C00 sub  rsp,48h 
13FE81C04 call qword ptr [__imp_clock (13FE81128h)] 
13FE81C0A mov  dword ptr [start],eax 
13FE81C0E mov  qword ptr [i],0 
13FE81C17 jmp  testSwitch+26h (13FE81C26h) 
13FE81C19 mov  rax,qword ptr [i] 
13FE81C1E inc  rax  
13FE81C21 mov  qword ptr [i],rax 
13FE81C26 cmp  qword ptr [i],20000000h 
13FE81C2F jae  testSwitch+0C5h (13FE81CC5h) 
13FE81C35 xor  edx,edx 
13FE81C37 mov  rax,qword ptr [counter (13FE835D0h)] 
13FE81C3E mov  ecx,4 
13FE81C43 div  rax,rcx 
13FE81C46 mov  rax,rdx 
13FE81C49 inc  rax  
13FE81C4C mov  qword ptr [rsp+30h],rax 
13FE81C51 cmp  qword ptr [rsp+30h],1 
13FE81C57 je   testSwitch+73h (13FE81C73h) 
13FE81C59 cmp  qword ptr [rsp+30h],2 
13FE81C5F je   testSwitch+87h (13FE81C87h) 
13FE81C61 cmp  qword ptr [rsp+30h],3 
13FE81C67 je   testSwitch+9Bh (13FE81C9Bh) 
13FE81C69 cmp  qword ptr [rsp+30h],4 
13FE81C6F je   testSwitch+0AFh (13FE81CAFh) 
13FE81C71 jmp  testSwitch+0C0h (13FE81CC0h) 
13FE81C73 mov  rax,qword ptr [counter (13FE835D0h)] 
13FE81C7A add  rax,4 
13FE81C7E mov  qword ptr [counter (13FE835D0h)],rax 
13FE81C85 jmp  testSwitch+0C0h (13FE81CC0h) 
13FE81C87 mov  rax,qword ptr [counter (13FE835D0h)] 
13FE81C8E add  rax,3 
13FE81C92 mov  qword ptr [counter (13FE835D0h)],rax 
13FE81C99 jmp  testSwitch+0C0h (13FE81CC0h) 
13FE81C9B mov  rax,qword ptr [counter (13FE835D0h)] 
13FE81CA2 add  rax,2 
13FE81CA6 mov  qword ptr [counter (13FE835D0h)],rax 
13FE81CAD jmp  testSwitch+0C0h (13FE81CC0h) 
13FE81CAF mov  rax,qword ptr [counter (13FE835D0h)] 
13FE81CB6 inc  rax  
13FE81CB9 mov  qword ptr [counter (13FE835D0h)],rax 
13FE81CC0 jmp  testSwitch+19h (13FE81C19h) 
13FE81CC5 call qword ptr [__imp_clock (13FE81128h)] 
13FE81CCB sub  eax,dword ptr [start] 
13FE81CCF imul eax,eax,3E8h 
13FE81CD5 cdq       
13FE81CD6 mov  ecx,3E8h 
13FE81CDB idiv eax,ecx 
13FE81CDD cdqe      
13FE81CDF add  rsp,48h 
13FE81CE3 ret

更新:

有趣的结果。但不知道为什么一个更快，一个更慢。

当前回答

关于你的问题:

1.在x86或x64中，基本的跳转表是什么样的?

跳转表是存储标签指针的内存地址，类似于数组结构。下面的示例将帮助您理解如何布局跳转表

00B14538  D8 09 AB 00 D8 09 AB 00 D8 09 AB 00 D8 09 AB 00  Ø.«.Ø.«.Ø.«.Ø.«.
00B14548  D8 09 AB 00 D8 09 AB 00 D8 09 AB 00 00 00 00 00  Ø.«.Ø.«.Ø.«.....
00B14558  00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00  ................
00B14568  00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00  ................

其中00B14538是指向跳转表的指针，D8 09 AB 00这样的值表示标签指针。

2.这段代码是否使用了跳转表? 在这种情况下不会。

3.为什么在这个例子中没有性能差异?

没有性能差异，因为这两种情况下的指令看起来是一样的，没有跳转表。

4.是否存在存在显著性能差异的情况?

如果你有很长的If检查序列，在这种情况下，使用跳转表可以提高性能(如果分支/jmp指令不能几乎完美地预测，那么它们是昂贵的)，但会带来内存成本。

所有比较指令的代码也有一定的大小，因此，特别是使用32位指针或偏移量时，单个跳转表查找在可执行文件中可能不会占用太多的大小。

结论:编译器是足够聪明的处理这种情况，并生成适当的指令:)

2011-07-24 07:14:22

其他回答

以下是旧的(现在很难找到)bench++基准测试的一些结果:

Test Name:   F000003                         Class Name:  Style
CPU Time:       0.781  nanoseconds           plus or minus     0.0715
Wall/CPU:        1.00  ratio.                Iteration Count:  1677721600
Test Description:
 Time to test a global using a 2-way if/else if statement
 compare this test with F000004

Test Name:   F000004                         Class Name:  Style
CPU Time:        1.53  nanoseconds           plus or minus     0.0767
Wall/CPU:        1.00  ratio.                Iteration Count:  1677721600
Test Description:
 Time to test a global using a 2-way switch statement
 compare this test with F000003

Test Name:   F000005                         Class Name:  Style
CPU Time:        7.70  nanoseconds           plus or minus      0.385
Wall/CPU:        1.00  ratio.                Iteration Count:  1677721600
Test Description:
 Time to test a global using a 10-way if/else if statement
 compare this test with F000006

Test Name:   F000006                         Class Name:  Style
CPU Time:        2.00  nanoseconds           plus or minus     0.0999
Wall/CPU:        1.00  ratio.                Iteration Count:  1677721600
Test Description:
 Time to test a global using a 10-way switch statement
 compare this test with F000005

Test Name:   F000007                         Class Name:  Style
CPU Time:        3.41  nanoseconds           plus or minus      0.171
Wall/CPU:        1.00  ratio.                Iteration Count:  1677721600
Test Description:
 Time to test a global using a 10-way sparse switch statement
 compare this test with F000005 and F000006

从中我们可以看到(在这台机器上，使用这个编译器——vc++ 9.0 x64)，每个if测试大约需要0.7纳秒。随着测试数量的增加，时间几乎是完全线性的。

使用switch语句，2路测试和10路测试之间的速度几乎没有区别，只要值是密集的。使用稀疏值的10路测试所花费的时间大约是使用密集值的10路测试的1.6倍——但即使使用稀疏值，仍然比使用10路if/else if的速度快两倍。

底线:仅仅使用一个4-way测试并不能真正告诉你switch vs if/else的性能。如果您查看这段代码中的数字，就可以很容易地插入一个事实，即对于4路测试，我们期望两者产生非常相似的结果(If /else为~2.8纳秒，开关为~2.0纳秒)。

2012-07-26 03:20:54

编译器可以自由地将switch语句编译为相当于if-statement的代码，或者创建一个跳转表。它可能会根据你在编译器选项中指定的内容来选择一个执行最快的语句，或者生成最小的代码——所以最坏的情况下它将与if语句相同的速度

我相信编译器会做出最好的选择，并专注于使代码最有可读性。

如果情况的数量变得非常大，那么跳转表将比一系列的If快得多。但是，如果值之间的步长非常大，那么跳转表可能会变得很大，编译器可能会选择不生成一个。

2011-07-24 05:08:38

编译器可以对交换机进行几种优化。我不认为经常提到的“跳跃表”是非常有用的，因为它只在输入可以以某种方式被限制时才有效。

C“跳转表”的伪代码是这样的——注意，实际上编译器需要在表周围插入某种形式的if测试，以确保输入在表中是有效的。还要注意，它只在输入是连续数字的特定情况下才有效。

如果交换机中的分支数量非常大，编译器可以对交换机的值使用二进制搜索，这(在我看来)将是一个更有用的优化，因为它在某些场景中显著提高了性能，与交换机一样通用，并且不会导致更大的生成代码大小。但是要看到这一点，您的测试代码将需要更多的分支来查看任何差异。

回答您的具体问题:

Clang generates one that looks like this: test_switch(char): # @test_switch(char) movl %edi, %eax cmpl $19, %edi jbe .LBB0_1 retq .LBB0_1: jmpq *.LJTI0_0(,%rax,8) jmp void call<0u>() # TAILCALL jmp void call<1u>() # TAILCALL jmp void call<2u>() # TAILCALL jmp void call<3u>() # TAILCALL jmp void call<4u>() # TAILCALL jmp void call<5u>() # TAILCALL jmp void call<6u>() # TAILCALL jmp void call<7u>() # TAILCALL jmp void call<8u>() # TAILCALL jmp void call<9u>() # TAILCALL jmp void call<10u>() # TAILCALL jmp void call<11u>() # TAILCALL jmp void call<12u>() # TAILCALL jmp void call<13u>() # TAILCALL jmp void call<14u>() # TAILCALL jmp void call<15u>() # TAILCALL jmp void call<16u>() # TAILCALL jmp void call<17u>() # TAILCALL jmp void call<18u>() # TAILCALL jmp void call<19u>() # TAILCALL .LJTI0_0: .quad .LBB0_2 .quad .LBB0_3 .quad .LBB0_4 .quad .LBB0_5 .quad .LBB0_6 .quad .LBB0_7 .quad .LBB0_8 .quad .LBB0_9 .quad .LBB0_10 .quad .LBB0_11 .quad .LBB0_12 .quad .LBB0_13 .quad .LBB0_14 .quad .LBB0_15 .quad .LBB0_16 .quad .LBB0_17 .quad .LBB0_18 .quad .LBB0_19 .quad .LBB0_20 .quad .LBB0_21 I can say that it is not using a jump table -- 4 comparison instructions are clearly visible: 13FE81C51 cmp qword ptr [rsp+30h],1 13FE81C57 je testSwitch+73h (13FE81C73h) 13FE81C59 cmp qword ptr [rsp+30h],2 13FE81C5F je testSwitch+87h (13FE81C87h) 13FE81C61 cmp qword ptr [rsp+30h],3 13FE81C67 je testSwitch+9Bh (13FE81C9Bh) 13FE81C69 cmp qword ptr [rsp+30h],4 13FE81C6F je testSwitch+0AFh (13FE81CAFh) A jump table based solution does not use comparison at all. Either not enough branches to cause the compiler to generate a jump table, or your compiler simply doesn't generate them. I'm not sure which.

EDIT 2014: There has been some discussion elsewhere from people familiar with the LLVM optimizer saying that the jump table optimization can be important in many scenarios; e.g. in cases where there is an enumeration with many values and many cases against values in said enumeration. That said, I stand by what I said above in 2011 -- too often I see people thinking "if I make it a switch, it'll be the same time no matter how many cases I have" -- and that's completely false. Even with a jump table you get the indirect jump cost and you pay for entries in the table for each case; and memory bandwidth is a Big Deal on modern hardware.

为可读性编写代码。任何有价值的编译器都会看到一个if / else if阶梯，并将其转换为等效的开关，反之亦然，如果这样做会更快的话。

2011-07-24 05:09:10

一个也没有。在大多数特定的情况下，当您进入汇编程序并进行真正的性能测量时，您的问题是错误的。对于给定的例子，你的想法显然太短了

counter += (4 - counter % 4);

在我看来，这是正确的增量表达式，你应该使用。

2011-07-24 07:55:54