面包芯语

揭秘:：switch...case为什么比if...else执行效率高？

嵌入式ARM 2020-06-19 00:00
电子元器件采购与技术方案，工程师专属平台 针对AI服务器方案的模拟与数模混合产品布局


作者:李肖遥

来源:技术让梦想更伟大


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。

题外话

大家去看看一本书《C++ Footprint and Performance Optimization》，里面的7章，第一节。然后根据大量的实际程序测试（不考虑不同的编译器优化程度差异，假设都是最好的优化），那么Switch语句击中第三个选项的时间跟if/else if语句击中第三个选项的时间相同。击中第一，第二选项的速度if语句快，击中第四以及第四之后的选项的速度switch语句快。所以，如果所有选项出现概率相同的话，结论就是：5个选项（包括default）的情况下，switch和if/else if相同。低于5个选项if快，高于5给选项switch快！


-END-




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    宠物饮水机是专为宠物设计的自动供水设备，它能够持续提供新鲜流动的水，刺激宠物饮水欲望，保持宠物健康。智能水位监测功能可确保宠物始终有水可饮，同时避免溢水和干烧，是现代宠物家庭的理想选择。那么，宠物饮水机水箱是如何实现低水位提醒功能的呢？ICMAN液位检测芯片轻松实现宠物饮水机的水箱低液位提醒功能！工作原理 ：基于双通道电容式单点液位检测原理方案特点：液位检测精度高达±1mm，超强抗干扰，动态CS 10V 为家用电器水位提醒的应用提供了一种简单而又有效的实现方式<iframe height=
    ICMAN 2025-03-14 16:46 72浏览
  • 紫光展锐连续三年荣获GTI国际大奖
    近日，2025年GTI国际产业大会成功举办，活动上GTI Awards 2025获奖名单正式揭晓，紫光展锐连续三年斩获国际权威机构GTI颁发的大奖。此次，T8300凭借在5G技术创新和娱乐体验方面的卓越表现，荣获GTI“移动技术创新突破奖”（Innovative Breakthrough in Mobile Technology Award）。GTI是由中国移动、软银、沃达丰等运营商于2011年发起成立的国际产业合作平台。GTI Awards作为全球通信行业最具影响力的奖项之一，旨在表彰为行业
    紫光展锐 2025-03-14 17:35 66浏览
  • 【原创奖励】 esp32s3使用platformio 点亮1.69寸TFT历程之LVGL移植
    esp32s3使用platformio 点亮1.69寸TFT历程之LVGL移植 继上一篇我历经很久的时间点亮了1.69寸TFT之后。我开始进行LVGL的移植。开始LVGL的学习。用platformio 开发esp32s3真的好方便。按照上一节的环境。本次由于需要使用LVGL。打开platformio lib界面搜索LVGL。目前里面的版本是9.2.2。我使用的8.3.6。然后按照下图加载到自己的工程项目。待加载完毕后。我们会看到libdeps下面会出现LVGL库好了，这一步完成后。我们就开始移植
    zhusx123 2025-03-15 20:58 104浏览
  • 正确的连接电机传动轴的几种常见连接方式及其优缺点
    在现代机械传动系统中，电机与传动轴的连接至关重要。正确的连接方式不仅能提高传动效率，还能延长设备的使用寿命。本文将探讨电机传动轴的几种常见连接方式及其优缺点。1.直接连接直接连接是将电机的输出轴与传动轴直接相连，通常采用联轴器进行连接。这种方式的优点是结构简单，传动效率高，适合于高转速和高精度的应用场合。然而，直接连接对对中精度要求较高，稍有偏差就可能导致振动和磨损。2.齿轮连接齿轮连接通过齿轮传动将电机的动力传递到传动轴。该方式的优点在于能够实现较大的转速变化和扭矩增益，适合于需要大功率和高扭
    博扬智能 2025-03-14 16:32 65浏览
  • 工业级全场景覆盖：广和通4G模块在智能网关中的多协议兼容与边缘计算实践
           在工业物联网的世界里，设备之间的“语言不通”曾让无数工厂陷入效率泥潭。想象一个汽车制造车间：1980年代的老式PLC控制器用Modbus RTU协议“说话”，2020年的智能机械臂支持OPC UA协议，而散布在角落的电表和传感器则操着DLT645等不同“方言”。这种协议碎片化让数据互通成为奢望，直到广和通4G模块化身“工业翻译官”，用多协议兼容和边缘计算能力打破僵局。一、从“铁皮盒子”到“边缘大脑”的技术蜕变    &nb
    中科领创 2025-03-14 14:14 50浏览
  • 从单品互联到全屋智能：BLE协议如何引爆下一代家居交互革命
    万物互联时代，全屋智能正从概念走向现实，而蓝牙低功耗（BLE）技术凭借独特优势，已成为构建智慧家庭生态的核心驱动力之一。作为一项成熟且持续创新的无线通信协议，BLE技术不仅以“低功耗”定义行业标准，更凭借Mesh组网能力打破场景疆界，为智能家居设备提供了灵活、可靠、可扩展的解决方案，有力推动了全屋智能的落地应用。据中商产业研究院整理数据显示，2023年我国智能家居市场规模为7257亿元，预计到2024年将达7848亿元，到2025年将达到8526亿元，同比增长率约为10%。随着未来新房建设和老房
    华普微HOPERF 2025-03-14 17:08 60浏览
  • 芯知识|WT588F(E)系列语音芯片常见问题解析与优化指南
    一、问题现象：语音播放异常的典型表现在使用WT588F(E)系列语音芯片的开发过程中，工程师常会遇到以下两类典型异常现象：播放不全：语音仅播放前段内容后突然中断，或特定段落无法触发播放断续：音频输出存在明显卡顿、爆音或波形畸变某智能门锁项目实测数据显示，在首批样机中有2%的设备出现语音提示突然中断的情况，经排查发现电源电压在播放瞬间跌落至2.0V（低于芯片工作阈值）。这类问题的根源往往隐藏于硬件设计与系统协同的细节之中。二、核心机理：电压稳定性对语音芯片的影响2.1 电源系统的动态响应特性WT5
    广州唯创电子 2025-03-17 09:18 108浏览
  • 长时间拿不到理想录用通知，该妥协还是继续等待？
    在求职路上，一直没能拿到理想的录用通知，真的要放低要求吗？对很多人来说，这个问题往往让人进退两难。期待中那个能够激发自我潜能又能带来丰厚回报的职位，似乎离自己遥不可及。可是眼看着账单越压越重，生活在缓缓拖累前行。在这种局面下，究竟该不该向现实妥协，先找一份工作再说？有些人会觉得，先就业意味着放弃理想，觉得一旦走上这条路，就难以回到最初的目标。但事实上，这种担忧常常让人陷入犹豫与停滞。路走不通时，不代表必须原地不动。有时选择一份尚可接受的工作，也能带来意想不到的机会。公司内部的人脉、行业的历练，乃
    优思学院 2025-03-14 17:12 64浏览
  • 优思学院｜真正的工艺工程师是干什么的？
    工艺工程师（Process Engineer）在工业生产中扮演着重要的角色，负责设计、优化和管理各种工业流程。这些流程通常涉及化学、物理或生物转化，旨在将原材料和能源转化为有用的产品。以下是关于工艺工程师角色、职责、技能和行业应用的详细分析，旨在为读者提供全面的理解。定义与范围根据 Wikipedia 的定义，工艺工程（Process Engineering）是理解和应用自然基本原理和定律，将原材料和能源在工业层面转化为有用产品的过程。它涵盖了化学、物理和生物流程的设计、操作
    优思学院 2025-03-14 12:26 50浏览
  • 语音播放芯片IC技术解析：WTN6、WT588、WT2003H与WTV系列应用指南
    一、引言：语音芯片的智能化浪潮在万物互联的智能化时代，语音交互技术已成为人机交互的重要纽带。从智能家电的提示音到儿童玩具的趣味互动，从工业设备的语音告警到公共服务设施的自动播报，语音播放芯片IC作为核心硬件支撑，正在重塑各行各业的用户体验。在众多解决方案中，WTN6、WT588、WT2003H、WTV四大系列产品，凭借差异化的技术特性构建了完整的语音芯片产品矩阵。本文将深度解析这四大主流芯片的技术特点与应用场景，为开发者提供选型参考。二、主流语音芯片技术特性全解析2.1 WTN6系列：高性价比的
    广州唯创电子 2025-03-17 09:04 122浏览
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