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
针对AI服务器方案的模拟与数模混合产品布局 迈来芯新一代经济型热成像技术


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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    康谋 2025-03-13 09:53 127浏览
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    在追求更快、更稳的无线通信路上，传统射频架构深陷带宽-功耗-成本的“不可能三角”：带宽每翻倍，系统复杂度与功耗增幅远超线性增长。传统方案通过“分立式功放+多级变频链路+JESD204B 接口”的组合试图平衡性能与成本，却难以满足实时性严苛的超大规模 MIMO 通信等场景需求。在此背景下，AXW49 射频开发板以“直采+异构”重构射频范式：基于 AMD Zynq UltraScale+™ RFSoC Gen3XCZU49DR 芯片的 16 通道 14 位 2.5GSPS ADC 与 16
    ALINX 2025-03-13 09:27 89浏览
  • 爱回收2024年营收163.3亿元创新高 ，全年GAAP经营利润首次转正
    北京时间3月11日，国内领先的二手消费电子产品交易和服务平台万物新生（爱回收）集团（纽交所股票代码：RERE）发布2024财年第四季度和全年业绩报告。财报显示，2024年第四季度万物新生集团总收入48.5亿元，超出业绩指引，同比增长25.2%。单季non-GAAP经营利润1.3亿元（non-GAAP口径，即经调整口径，均不含员工股权激励费用、无形资产摊销及因收购产生的递延成本，下同），并汇报创历史新高的GAAP净利润7742万元，同比增长近27倍。总览全年，万物新生总收入同比增长25.9%达到1
    华尔街科技眼 2025-03-13 12:23 117浏览
  • WTV380-P（QFN32）语音芯片在智能电子指纹锁中的革新应用：小体积封装与多传感器集成的双重突破
    一、行业背景与需求痛点智能电子指纹锁作为智能家居的核心入口，近年来市场规模持续增长，用户对产品的功能性、安全性和设计紧凑性提出更高要求：极致空间利用率：锁体内部PCB空间有限，需高度集成化设计。语音交互需求：操作引导（如指纹识别状态、低电量提醒）、安全告警（防撬、试错报警）等语音反馈。智能化扩展能力：集成传感器以增强安全性（如温度监测、防撬检测）和用户体验。成本与可靠性平衡：在复杂环境下确保低功耗、高稳定性，同时控制硬件成本。WTV380-P（QFN32）语音芯片凭借4mm×4mm超小封装、多传
    广州唯创电子 2025-03-13 09:24 116浏览
  • 别忽略「它」！它一直在损坏您的电子设备!!
    现代旅游风气盛行，无论国内或国外旅游，导航装置无疑就是最佳的行动导游；在工作使用上也有部分职业（如：外送服务业）需要依靠导航系统的精准，才能将餐点准确无误的送至客户手上。因此手机导航已开始成为现代生活上不可或缺的手机应用之一。「它」是造成产品潜在风险的原因之一外送服务业利用手机导航，通常是使用手机支架固定在机车上，但行进间的机车其环境并不一定适用于安装手机，因行进间所产生的振动可能会影响部分的功能，进而导致受损。您是否曾在新闻报导中看过：有使用者回报在机车上使用手机架导航会造成相机无法开启？苹果
    百佳泰测试实验室 2025-03-13 18:17 132浏览
  • WTV380-8S语音芯片在眼部按摩仪中的创新应用：扩展传感器功能与高性价比的完美融合
    一、行业背景与用户需求随着健康消费升级，智能眼部按摩仪逐渐成为缓解眼疲劳、改善睡眠的热门产品。用户对这类设备的需求不再局限于基础按摩功能，而是追求更智能化、人性化的体验，例如：语音交互：实时反馈按摩模式、操作提示、安全提醒。环境感知：通过传感器检测佩戴状态、温度、压力等，提升安全性与舒适度。低功耗长续航：适应便携场景，延长设备使用时间。高性价比方案：在控制成本的同时实现功能多样化。针对这些需求，WTV380-8S语音芯片凭借其高性能、多传感器扩展能力及超高性价比，成为眼部按摩仪智能化升级的理想选
    广州唯创电子 2025-03-13 09:26 102浏览
  • 为什么DeepSeek能以100多人打造超越大厂的突破？——扁平架构构建蜂窝创新生态
    DeepSeek自成立之初就散发着大胆创新的气息。明明核心开发团队只有一百多人，却能以惊人的效率实现许多大厂望尘莫及的技术成果，原因不仅在于资金或硬件，而是在于扁平架构携手塑造的蜂窝创新生态。创办人梁文锋多次强调，与其与大厂竞争一时的人才风潮，不如全力培养自家的优质员工，形成不可替代的内部生态。正因这样，他对DeepSeek内部人才体系有着一套别具一格的见解。他十分重视中式教育价值，因而DeepSeek团队几乎清一色都是中国式学霸。许多人来自北大清华，或者在各种数据比赛中多次获奖，可谓百里挑一。
    优思学院 2025-03-13 12:15 129浏览
  • 手机厂商，无牌可打
    文/杜杰编辑/cc孙聪颖‍主打影像功能的小米15 Ultra手机，成为2025开年的第一款旗舰机型。从发布节奏上来看，小米历代Ultra机型，几乎都选择在开年发布，远远早于其他厂商秋季主力机型的发布时间。这毫无疑问会掀起“Ultra旗舰大战”，今年影像手机将再次被卷上新高度。无意臆断小米是否有意“领跑”一场“军备竞赛”，但各种复杂的情绪难以掩盖。岁岁年年机不同，但将2-3年内记忆中那些关于旗舰机的发布会拼凑起来，会发现，包括小米在内，旗舰机的革新点，除了摄影参数的不同，似乎没什么明显变化。贵为旗
    华尔街科技眼 2025-03-13 12:30 155浏览
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