为什么switch...case语句比if...else执行效率高

时间：2021-09-01 23:30:13

在C语言中，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。

第一步，写一个demo程序：foo.c

 #include <stdio.h>

 static int

 foo_ifelse(char c)

 {

         if (c == '' || c == '') {

                 c += ;

         } else if (c == 'a' || c == 'b') {

                 c += ;

         } else if (c == 'A' || c == 'B') {

                 c += ;

         } else {

                 c += ;

         }

         return (c);

 }

 static int

 foo_switch(char c)

 {

         switch (c) {

                 case '':

                 case '': c += ; break;

                 case 'b':

                 case 'a': c += ; break;

                 case 'B':

                 case 'A': c += ; break;

                 default:  c += ; break;

         }

         return (c);

 }

 int

 main(int argc, char **argv)

 {

         int m1 = foo_ifelse('');

         int m2 = foo_ifelse('');

         int n1 = foo_switch('a');

         int n2 = foo_switch('b');

         (void) printf("%c %c %c %c\n", m1, m2, n1, n2);

         return ();

 }

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:

        {

    0x0804841d <+>:     push   ebp

    0x0804841e <+>:     mov    ebp,esp

    0x08048420 <+>:     sub    esp,0x4

    0x08048423 <+>:     mov    eax,DWORD PTR [ebp+0x8]

    0x08048426 <+>:     mov    BYTE PTR [ebp-0x4],al

                if (c == '' || c == '') {

    0x08048429 <+>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x30

    0x0804842d <+>:    je     0x8048435 <foo_ifelse+>

    0x0804842f <+>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x31

    0x08048433 <+>:    jne    0x8048441 <foo_ifelse+>

                        c += ;

    0x08048435 <+>:    movzx  eax,BYTE PTR [ebp-0x4]

    0x08048439 <+>:    add    eax,0x1

    0x0804843c <+>:    mov    BYTE PTR [ebp-0x4],al

    0x0804843f <+>:    jmp    0x804847b <foo_ifelse+>

                } else if (c == 'a' || c == 'b') {

    0x08048441 <+>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x61

    0x08048445 <+>:    je     0x804844d <foo_ifelse+>

    0x08048447 <+>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x62

    0x0804844b <+>:    jne    0x8048459 <foo_ifelse+>

                        c += ;

    0x0804844d <+>:    movzx  eax,BYTE PTR [ebp-0x4]

    0x08048451 <+>:    add    eax,0x2

    0x08048454 <+>:    mov    BYTE PTR [ebp-0x4],al

    0x08048457 <+>:    jmp    0x804847b <foo_ifelse+>

                } else if (c == 'A' || c == 'B') {

    0x08048459 <+>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x41

    0x0804845d <+>:    je     0x8048465 <foo_ifelse+>

    0x0804845f <+>:    cmp    BYTE PTR [ebp-0x4],0x42

    0x08048463 <+>:    jne    0x8048471 <foo_ifelse+>

                       c += ;

    0x08048465 <+>:    movzx  eax,BYTE PTR [ebp-0x4]

    0x08048469 <+>:    add    eax,0x3

    0x0804846c <+>:    mov    BYTE PTR [ebp-0x4],al

    0x0804846f <+>:    jmp    0x804847b <foo_ifelse+>

               } else {

                       c += ;

    0x08048471 <+>:    movzx  eax,BYTE PTR [ebp-0x4]

    0x08048475 <+>:    add    eax,0x4

    0x08048478 <+>:    mov    BYTE PTR [ebp-0x4],al

               }

               return (c);

    0x0804847b <+>:    movsx  eax,BYTE PTR [ebp-0x4]

       }

    0x0804847f <+>:    leave

    0x08048480 <+>:    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:

       {

    0x08048481 <+>:     push   ebp

    0x08048482 <+>:     mov    ebp,esp

    0x08048484 <+>:     sub    esp,0x4

    0x08048487 <+>:     mov    eax,DWORD PTR [ebp+0x8]

    0x0804848a <+>:     mov    BYTE PTR [ebp-0x4],al

               switch (c) {

    0x0804848d <+>:    movsx  eax,BYTE PTR [ebp-0x4]

    0x08048491 <+>:    sub    eax,0x30

    0x08048494 <+>:    cmp    eax,0x32

    0x08048497 <+>:    ja     0x80484c6 <foo_switch+>

    0x08048499 <+>:    mov    eax,DWORD PTR [eax*+0x80485f0]

    0x080484a0 <+>:    jmp    eax

                       case '':

                       case '': c += ; break;

    0x080484a2 <+>:    movzx  eax,BYTE PTR [ebp-0x4]

    0x080484a6 <+>:    add    eax,0x1

    0x080484a9 <+>:    mov    BYTE PTR [ebp-0x4],al

    0x080484ac <+>:    jmp    0x80484d1 <foo_switch+>

                       case 'b':

                       case 'a': c += ; break;

    0x080484ae <+>:    movzx  eax,BYTE PTR [ebp-0x4]

    0x080484b2 <+>:    add    eax,0x2

    0x080484b5 <+>:    mov    BYTE PTR [ebp-0x4],al

    0x080484b8 <+>:    jmp    0x80484d1 <foo_switch+>

                       case 'B':

                       case 'A': c += ; break;

    0x080484ba <+>:    movzx  eax,BYTE PTR [ebp-0x4]

    0x080484be <+>:    add    eax,0x3

    0x080484c1 <+>:    mov    BYTE PTR [ebp-0x4],al

    0x080484c4 <+>:    jmp    0x80484d1 <foo_switch+>

                       default:  c += ; break;

    0x080484c6 <+>:    movzx  eax,BYTE PTR [ebp-0x4]

    0x080484ca <+>:    add    eax,0x4

    0x080484cd <+>:    mov    BYTE PTR [ebp-0x4],al

    0x080484d0 <+>:    nop

               }

               return (c);

    0x080484d1 <+>:    movsx  eax,BYTE PTR [ebp-0x4]

       }

    0x080484d5 <+>:    leave

    0x080484d6 <+>:    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，

..

               switch (c) {

    0x0804848d <+>:    movsx  eax,BYTE PTR [ebp-0x4]

    0x08048491 <+>:    sub    eax,0x30

    0x08048494 <+>:    cmp    eax,0x32

    0x08048497 <+>:    ja     0x80484c6 <foo_switch+>

    0x08048499 <+>:    mov    eax,DWORD PTR [eax*+0x80485f0]

    0x080484a0 <+>:    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('') - 0x30

>>> ord('') - 0x30

(gdb) x /2wx  *+0x80485f0

0x80485f0:    0x080484a2    0x080484a2

>>> ord('b') - 0x30

>>> ord('a') - 0x30

(gdb) x /2wx *+0x80485f0

0x80486b4:    0x080484ae    0x080484ae

>>> ord('B') - 0x30

>>> ord('A') - 0x30

(gdb) x /2wx *+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:

 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:

 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。

    0x08048499 <+>:    mov    eax,DWORD PTR [eax*+0x80485f0]

    0x080484a0 <+>:    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。

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