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
百万设备≠唯一解！精密测量成本砍半秘籍 揭秘实时频谱分析的黑科技原理


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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    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 75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 75浏览
  • 宠物饮水机水箱如何实现低水位提醒功能？
    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 78浏览
  • 前华为天才少年做会骑车的机器人，公司估值70亿
    文/Leon编辑/cc孙聪颖‍蛇年春晚最有意思的节目，一定非机器人跳舞莫属。就算是遥控或预编程，机器人能够做出如此复杂的动作，在五年前都是不敢想象的事情，其制造商宇树科技也因此火爆全网。就在春节过后不到一个月，会骑自行车的人形机器人诞生了。这背后，是近年来“具身智能”概念的迅猛发展。“我们造了一个跟人一样灵动的机器人！”3月11日，智元机器人联合创始人兼首席技术官彭志辉在微博上说道。在视频中，灵犀X2会骑自行车、能跳《科目三》，还可以与人促膝长谈，甚至拿起葡萄“穿针引线”。在全球人形机器人领域，
    华尔街科技眼 2025-03-17 12:38 101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 20:58 119浏览
  • 如何提升传感器抗电磁干扰能力？
    晨穹电子一家专业从事研发、生产、销售各类传感器为一体的高新科技企业。1 人赞同了该文章在工业4.0、智能家居、新能源汽车等场景中，传感器作为数据采集的核心器件，其抗电磁干扰（EMC）能力直接影响系统可靠性。尤其在5G通信、高功率电机、无线充电等复杂电磁环境下，传感器的信号失真问题愈发突出。本文结合MEMS传感器、物联网（IoT）设备、边缘计算等热度技术，解析提升传感器抗干扰能力的6大策略。 一、电磁干扰对传感器的威胁； 1、电磁干扰（EMI）会导致传感器出现 。2、信号跳变（
    传感器晨穹 2025-03-18 09:28 68浏览
  • 健康监测的下一个突破点？超精确温度传感技术！
    新兴的个人健康监测技术为何在医疗场景和日常生活中越来越受到青睐？为了准确回答这个关键问题，我们首先需要理解三个全球性趋势：如今，几乎人手一部智能手机，这等于随身携带了一台高性能计算机、一个全天候运行的智能医疗传感器中心，还有一块显示屏。发达工业国家的人口正在迅速老龄化，而老年群体的疾病发病率较高。与此同时，年轻人也比过去更加关注如何延长健康寿命。这些人群以及服务他们的医务人员可以利用新技术来优化生活方式，合理调控运动、饮食、睡眠和压力等关键因素，帮助他们作出更健康的生活选择。如摩尔定律所预言，半
    艾迈斯欧司朗 2025-03-17 21:50 65浏览
  • 优思学院：新版FMEA失效分析七大步骤
    失效模式与影响分析（FMEA）失效模式与影响分析（FMEA）是一种系统方法，用于识别和分析系统或过程中的潜在失效，广泛应用于工程和制造领域，以提高产品可靠性和安全性。最新标准由 2019 年发布的 AIAG-VDA FMEA 手册（第一版） 定义，该手册结合了美国和欧洲汽车行业的最佳实践，并引入了 七步法，确保分析全面且结构化。图：优思学院六西格玛新版 FMEA 失效分析的七个步骤1. 规划与准备确定 FMEA 研究的 范围、边界和目标。组建跨职能团队（设
    优思学院 2025-03-17 14:43 97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 09:04 142浏览
  • 小小的TA，如何成为汽车行业的“幕后英雄”？！
    随着汽车行业逐步迈向电气化和电池动力，位置传感器以及其他长期在车辆中被忽视但却至关重要的小型元器件正逐渐成为关注的焦点。某些电子元器件常常吸引大量关注，例如如今用于训练AI模型的强大GPU几乎每天都出现在新闻中。而其他元器件则默默地执行着重要但鲜为人知的功能。艾迈斯欧司朗一些历史悠久的产品线便隶属于后者，其中包括磁性和电感式位置传感器、电容式传感器和电池监控芯片。工业泵和风扇等产品的制造商利用位置传感器实现电动机高效平稳运行。在车辆的方向盘中安装电容传感器可以保障安全，它可以用于在辅助驾驶模式下
    艾迈斯欧司朗 2025-03-17 22:22 62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 09:18 121浏览
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