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揭秘:：switch...case为什么比if...else执行效率高？

发表于 4年以前  | 总阅读数：556 次

在C语言中，条件判断语句是程序的重要组成部分，也是系统业务逻辑的控制手段，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。

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：

  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，
..
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。

本文由哈喽比特于4年以前收录，如有侵权请联系我们。
文章来源：https://mp.weixin.qq.com/s/wfhz-0RxklAAGCG99NbQ9Q

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日前，威马汽车首席数据官梅松林转发了一份“世界各国地区拥车率排行榜”，同时，他发文表示：中国汽车普及率低于非洲国家尼日利亚，每百户家庭仅17户有车。意大利世界排名第一，每十户中九户有车。

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研究发现维生素 C 等抗氧化剂会刺激癌症生长和转移

近日，一项新的研究发现，维生素 C 和 E 等抗氧化剂会激活一种机制，刺激癌症肿瘤中新血管的生长，帮助它们生长和扩散。

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苹果据称正引入3D打印技术，用以生产智能手表的钢质底盘

据媒体援引消息人士报道，苹果公司正在测试使用3D打印技术来生产其智能手表的钢质底盘。消息传出后，3D系统一度大涨超10%，不过截至周三收盘，该股涨幅回落至2%以内。

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千万级抖音网红秀才账号被封禁

9月2日，坐拥千万粉丝的网红主播“秀才”账号被封禁，在社交媒体平台上引发热议。平台相关负责人表示，“秀才”账号违反平台相关规定，已封禁。据知情人士透露，秀才近期被举报存在违法行为，这可能是他被封禁的部分原因。据悉，“秀才”年龄39岁，是安徽省亳州市蒙城县人，抖音网红，粉丝数量超1200万。他曾被称为“中老年...

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亚马逊股东起诉公司和贝索斯，称其在购买卫星发射服务时忽视了 SpaceX

9月3日消息，亚马逊的一些股东，包括持有该公司股票的一家养老基金，日前对亚马逊、其创始人贝索斯和其董事会提起诉讼，指控他们在为 Project Kuiper 卫星星座项目购买发射服务时“违反了信义义务”。

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苹果上线AppsbyApple网站，以推广自家应用程序

据消息，为推广自家应用，苹果现推出了一个名为“Apps by Apple”的网站，展示了苹果为旗下产品（如 iPhone、iPad、Apple Watch、Mac 和 Apple TV）开发的各种应用程序。

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特斯拉美国降价引发投资者不满：“这是短期麻醉剂”

特斯拉本周在美国大幅下调Model S和X售价，引发了该公司一些最坚定支持者的不满。知名特斯拉多头、未来基金（Future Fund）管理合伙人加里·布莱克发帖称，降价是一种“短期麻醉剂”，会让潜在客户等待进一步降价。

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光刻机巨头阿斯麦：拿到许可，继续对华出口

据外媒9月2日报道，荷兰半导体设备制造商阿斯麦称，尽管荷兰政府颁布的半导体设备出口管制新规9月正式生效，但该公司已获得在2023年底以前向中国运送受限制芯片制造机器的许可。

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马斯克与库克首次隔空合作：为苹果提供卫星服务

近日，根据美国证券交易委员会的文件显示，苹果卫星服务提供商 Globalstar 近期向马斯克旗下的 SpaceX 支付 6400 万美元（约 4.65 亿元人民币）。用于在 2023-2025 年期间，发射卫星，进一步扩展苹果 iPhone 系列的 SOS 卫星服务。

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𝕏（推特）调整隐私政策，可拿用户发布的信息训练 AI 模型

据报道，马斯克旗下社交平台𝕏（推特）日前调整了隐私政策，允许 𝕏 使用用户发布的信息来训练其人工智能（AI）模型。新的隐私政策将于 9 月 29 日生效。新政策规定，𝕏可能会使用所收集到的平台信息和公开可用的信息，来帮助训练 𝕏 的机器学习或人工智能模型。

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荣耀CEO谈华为手机回归：替老同事们高兴，对行业也是好事

9月2日，荣耀CEO赵明在采访中谈及华为手机回归时表示，替老同事们高兴，觉得手机行业，由于华为的回归，让竞争充满了更多的可能性和更多的魅力，对行业来说也是件好事。

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AI操控无人机能力超越人类冠军

《自然》30日发表的一篇论文报道了一个名为Swift的人工智能（AI）系统，该系统驾驶无人机的能力可在真实世界中一对一冠军赛里战胜人类对手。

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AI生成的蘑菇科普书存在可致命错误

近日，非营利组织纽约真菌学会（NYMS）发出警告，表示亚马逊为代表的电商平台上，充斥着各种AI生成的蘑菇觅食科普书籍，其中存在诸多错误。

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社交媒体平台𝕏计划收集用户生物识别数据与工作教育经历

社交媒体平台𝕏（原推特）新隐私政策提到：“在您同意的情况下，我们可能出于安全、安保和身份识别目的收集和使用您的生物识别信息。”

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国产扫地机器人热销欧洲，国产割草机器人抢占欧洲草坪

2023年德国柏林消费电子展上，各大企业都带来了最新的理念和产品，而高端化、本土化的中国产品正在不断吸引欧洲等国际市场的目光。

发布于：1年以前  |  406次阅读  |  详细内容 »

罗永浩吐槽iPhone15和14不会有区别，除了序列号变了

罗永浩日前在直播中吐槽苹果即将推出的 iPhone 新品，具体内容为：“以我对我‘子公司’的了解，我认为 iPhone 15 跟 iPhone 14 不会有什么区别的，除了序（列）号变了，这个‘不要脸’的东西，这个‘臭厨子’。

发布于：1年以前  |  398次阅读  |  详细内容 »

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