if快还是switch快？解密switch背后的秘密

怼烎@ 2023-10-06 08:24 7阅读 0赞

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这是我的第 **57** 篇原创文章

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。重要程度和使用频率更是首屈一指，那我们要如何选择 if 还是 switch 呢？他们的性能差别有多大？switch 性能背后的秘密是什么？接下来让我们一起来寻找这些问题的答案。

### switch VS if ###

我在之前的文章[《9个小技巧让你的 if else看起来更优雅》][9_ if else]中有提过，要尽量使用 switch 因为他的性能比较高，但具体高多少？以及为什么高的原因将在本文为你揭晓。

我们依然借助 Oracle 官方提供的 JMH（Java Microbenchmark Harness，JAVA 微基准测试套件）框架来进行测试，首先引入 JMH 框架，在 pom.xml 文件中添加如下配置：

<dependency>
       <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
       <artifactId>jmh-core</artifactId>
       <version>1.23</version>
    </dependency>

然后编写测试代码，我们这里添加 5 个条件判断分支，具体实现代码如下：

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
    import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
    import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
    import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
    import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime) // 测试完成时间
    @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
    @Warmup(iterations = 2, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 预热 2 轮，每次 1s
    @Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 测试 5 轮，每次 3s
    @Fork(1) // fork 1 个线程
    @State(Scope.Thread) // 每个测试线程一个实例
    public class SwitchOptimizeTest {
    
        static Integer _NUM = 9;
    
        public static void main(String[] args) throws RunnerException {
            // 启动基准测试
            Options opt = new OptionsBuilder()
                    .include(SwitchOptimizeTest.class.getSimpleName()) // 要导入的测试类
                    .output("/Users/admin/Desktop/jmh-switch.log") // 输出测试结果的文件
                    .build();
            new Runner(opt).run(); // 执行测试
        }
    
        @Benchmark
        public void switchTest() {
            int num1;
            switch (_NUM) {
                case 1:
                    num1 = 1;
                    break;
                case 3:
                    num1 = 3;
                    break;
                case 5:
                    num1 = 5;
                    break;
                case 7:
                    num1 = 7;
                    break;
                case 9:
                    num1 = 9;
                    break;
                default:
                    num1 = -1;
                    break;
            }
        }
    
        @Benchmark
        public void ifTest() {
            int num1;
            if (_NUM == 1) {
                num1 = 1;
            } else if (_NUM == 3) {
                num1 = 3;
            } else if (_NUM == 5) {
                num1 = 5;
            } else if (_NUM == 7) {
                num1 = 7;
            } else if (_NUM == 9) {
                num1 = 9;
            } else {
                num1 = -1;
            }
        }
    }

以上代码的测试结果如下：

![format_png 1][]

> 备注：本文的测试环境为：JDK 1.8 / Mac mini (2018) / Idea 2020.1

从以上结果可以看出（Score 列），**switch 的平均执行完成时间比 if 的平均执行完成时间快了约 2.33 倍**。

### 性能分析 ###

为什么 switch 的性能会比 if 的性能高这么多？

这需要从他们字节码说起，我们把他们的代码使用 `javac` 生成字节码如下所示：

public class com.example.optimize.SwitchOptimize {
      static java.lang.Integer _NUM;
    
      public com.example.optimize.SwitchOptimize();
        Code:
           0: aload_0
           1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
           4: return
    
      public static void main(java.lang.String[]);
        Code:
           0: invokestatic  #7                  // Method switchTest:()V
           3: invokestatic  #12                 // Method ifTest:()V
           6: return
    
      public static void switchTest();
        Code:
           0: getstatic     #15                 // Field _NUM:Ljava/lang/Integer;
           3: invokevirtual #19                 // Method java/lang/Integer.intValue:()I
           6: tableswitch   { // 1 to 9
                         1: 56
                         2: 83
                         3: 61
                         4: 83
                         5: 66
                         6: 83
                         7: 71
                         8: 83
                         9: 77
                   default: 83
              }
          56: iconst_1
          57: istore_0
          58: goto          85
          61: iconst_3
          62: istore_0
          63: goto          85
          66: iconst_5
          67: istore_0
          68: goto          85
          71: bipush        7
          73: istore_0
          74: goto          85
          77: bipush        9
          79: istore_0
          80: goto          85
          83: iconst_m1
          84: istore_0
          85: return
    
      public static void ifTest();
        Code:
           0: getstatic     #15                 // Field _NUM:Ljava/lang/Integer;
           3: invokevirtual #19                 // Method java/lang/Integer.intValue:()I
           6: iconst_1
           7: if_icmpne     15
          10: iconst_1
          11: istore_0
          12: goto          81
          15: getstatic     #15                 // Field _NUM:Ljava/lang/Integer;
          18: invokevirtual #19                 // Method java/lang/Integer.intValue:()I
          21: iconst_3
          22: if_icmpne     30
          25: iconst_3
          26: istore_0
          27: goto          81
          30: getstatic     #15                 // Field _NUM:Ljava/lang/Integer;
          33: invokevirtual #19                 // Method java/lang/Integer.intValue:()I
          36: iconst_5
          37: if_icmpne     45
          40: iconst_5
          41: istore_0
          42: goto          81
          45: getstatic     #15                 // Field _NUM:Ljava/lang/Integer;
          48: invokevirtual #19                 // Method java/lang/Integer.intValue:()I
          51: bipush        7
          53: if_icmpne     62
          56: bipush        7
          58: istore_0
          59: goto          81
          62: getstatic     #15                 // Field _NUM:Ljava/lang/Integer;
          65: invokevirtual #19                 // Method java/lang/Integer.intValue:()I
          68: bipush        9
          70: if_icmpne     79
          73: bipush        9
          75: istore_0
          76: goto          81
          79: iconst_m1
          80: istore_0
          81: return
    
      static {};
        Code:
           0: iconst_1
           1: invokestatic  #25                 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
           4: putstatic     #15                 // Field _NUM:Ljava/lang/Integer;
           7: return
    }

这些字节码中最重要的信息是“getstatic \#15”，这段代码表示取出“\_NUM”变量和条件进行判断。

从上面的字节码可以看出，**在 switch 中只取出了一次变量和条件进行比较，而 if 中每次都会取出变量和条件进行比较，因此 if 的效率就会比 switch 慢很多**。

### 提升测试量 ###

前面的测试代码我们使用了 5 个分支条件来测试了 if 和 switch 的性能，那如果把分支的判断条件增加 3 倍（15 个）时，测试的结果又会怎么呢？

增加至 15 个分支判断的实现代码如下：

package com.example.optimize;
    
    import org.openjdk.jmh.annotations.*;
    import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
    import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
    import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
    import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime) // 测试完成时间
    @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
    @Warmup(iterations = 2, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 预热 2 轮，每次 1s
    @Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 测试 5 轮，每次 3s
    @Fork(1) // fork 1 个线程
    @State(Scope.Thread) // 每个测试线程一个实例
    public class SwitchOptimizeTest {
    
        static Integer _NUM = 1;
    
        public static void main(String[] args) throws RunnerException {
            // 启动基准测试
            Options opt = new OptionsBuilder()
                    .include(SwitchOptimizeTest.class.getSimpleName()) // 要导入的测试类
                    .output("/Users/admin/Desktop/jmh-switch.log") // 输出测试结果的文件
                    .build();
            new Runner(opt).run(); // 执行测试
        }
    
        @Benchmark
        public void switchTest() {
            int num1;
            switch (_NUM) {
                case 1:
                    num1 = 1;
                    break;
                case 2:
                    num1 = 2;
                    break;
                case 3:
                    num1 = 3;
                    break;
                case 4:
                    num1 = 4;
                    break;
                case 5:
                    num1 = 5;
                    break;
                case 6:
                    num1 = 6;
                    break;
                case 7:
                    num1 = 7;
                    break;
                case 8:
                    num1 = 8;
                    break;
                case 9:
                    num1 = 9;
                    break;
                case 10:
                    num1 = 10;
                    break;
                case 11:
                    num1 = 11;
                    break;
                case 12:
                    num1 = 12;
                    break;
                case 13:
                    num1 = 13;
                    break;
                case 14:
                    num1 = 14;
                    break;
                case 15:
                    num1 = 15;
                    break;
                default:
                    num1 = -1;
                    break;
            }
        }
    
        @Benchmark
        public void ifTest() {
            int num1;
            if (_NUM == 1) {
                num1 = 1;
            } else if (_NUM == 2) {
                num1 = 2;
            } else if (_NUM == 3) {
                num1 = 3;
            } else if (_NUM == 4) {
                num1 = 4;
            } else if (_NUM == 5) {
                num1 = 5;
            } else if (_NUM == 6) {
                num1 = 6;
            } else if (_NUM == 7) {
                num1 = 7;
            } else if (_NUM == 8) {
                num1 = 8;
            } else if (_NUM == 9) {
                num1 = 9;
            } else if (_NUM == 10) {
                num1 = 10;
            } else if (_NUM == 11) {
                num1 = 11;
            } else if (_NUM == 12) {
                num1 = 12;
            } else if (_NUM == 13) {
                num1 = 13;
            } else if (_NUM == 14) {
                num1 = 14;
            } else if (_NUM == 15) {
                num1 = 15;
            } else {
                num1 = -1;
            }
        }
    }

以上代码的测试结果如下：

![format_png 2][]

从 Score 的值可以看出，当分支判断增加至 15 个，switch 的性能比 if 的性能高出了约 3.7 倍，而之前有 5 个分支判断时的测试结果为，switch 的性能比 if 的性能高出了约 2.3 倍，也就是说**分支的判断条件越多，switch 性能高的特性体现的就越明显**。

### switch 的秘密 ###

对于 switch 来说，他最终生成的字节码有两种形态，一种是 tableswitch，另一种是 lookupswitch，决定最终生成的代码使用那种形态取决于 switch 的判断添加是否紧凑，例如到 case 是 1...2...3...4 这种依次递增的判断条件时，使用的是 tableswitch，而像 case 是 1...33...55...22 这种非紧凑型的判断条件时则会使用 lookupswitch，测试代码如下：

public class SwitchOptimize {
        static Integer _NUM = 1;
        public static void main(String[] args) {
            tableSwitchTest();
            lookupSwitchTest();
        }
        public static void tableSwitchTest() {
            int num1;
            switch (_NUM) {
                case 1:
                    num1 = 1;
                    break;
                case 2:
                    num1 = 2;
                    break;
                case 3:
                    num1 = 3;
                    break;
                case 4:
                    num1 = 4;
                    break;
                case 5:
                    num1 = 5;
                    break;
                case 6:
                    num1 = 6;
                    break;
                case 7:
                    num1 = 7;
                    break;
                case 8:
                    num1 = 8;
                    break;
                case 9:
                    num1 = 9;
                    break;
                default:
                    num1 = -1;
                    break;
            }
        }
        public static void lookupSwitchTest() {
            int num1;
            switch (_NUM) {
                case 1:
                    num1 = 1;
                    break;
                case 11:
                    num1 = 2;
                    break;
                case 3:
                    num1 = 3;
                    break;
                case 4:
                    num1 = 4;
                    break;
                case 19:
                    num1 = 5;
                    break;
                case 6:
                    num1 = 6;
                    break;
                case 33:
                    num1 = 7;
                    break;
                case 8:
                    num1 = 8;
                    break;
                case 999:
                    num1 = 9;
                    break;
                default:
                    num1 = -1;
                    break;
            }
        }
    }

对应的字节码如下：

public class com.example.optimize.SwitchOptimize {
      static java.lang.Integer _NUM;
    
      public com.example.optimize.SwitchOptimize();
        Code:
           0: aload_0
           1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
           4: return
    
      public static void main(java.lang.String[]);
        Code:
           0: invokestatic  #7                  // Method tableSwitchTest:()V
           3: invokestatic  #12                 // Method lookupSwitchTest:()V
           6: return
    
      public static void tableSwitchTest();
        Code:
           0: getstatic     #15                 // Field _NUM:Ljava/lang/Integer;
           3: invokevirtual #19                 // Method java/lang/Integer.intValue:()I
           6: tableswitch   { // 1 to 9
                         1: 56
                         2: 61
                         3: 66
                         4: 71
                         5: 76
                         6: 81
                         7: 87
                         8: 93
                         9: 99
                   default: 105
              }
          56: iconst_1
          57: istore_0
          58: goto          107
          61: iconst_2
          62: istore_0
          63: goto          107
          66: iconst_3
          67: istore_0
          68: goto          107
          71: iconst_4
          72: istore_0
          73: goto          107
          76: iconst_5
          77: istore_0
          78: goto          107
          81: bipush        6
          83: istore_0
          84: goto          107
          87: bipush        7
          89: istore_0
          90: goto          107
          93: bipush        8
          95: istore_0
          96: goto          107
          99: bipush        9
         101: istore_0
         102: goto          107
         105: iconst_m1
         106: istore_0
         107: return
    
      public static void lookupSwitchTest();
        Code:
           0: getstatic     #15                 // Field _NUM:Ljava/lang/Integer;
           3: invokevirtual #19                 // Method java/lang/Integer.intValue:()I
           6: lookupswitch  { // 9
                         1: 88
                         3: 98
                         4: 103
                         6: 113
                         8: 125
                        11: 93
                        19: 108
                        33: 119
                       999: 131
                   default: 137
              }
          88: iconst_1
          89: istore_0
          90: goto          139
          93: iconst_2
          94: istore_0
          95: goto          139
          98: iconst_3
          99: istore_0
         100: goto          139
         103: iconst_4
         104: istore_0
         105: goto          139
         108: iconst_5
         109: istore_0
         110: goto          139
         113: bipush        6
         115: istore_0
         116: goto          139
         119: bipush        7
         121: istore_0
         122: goto          139
         125: bipush        8
         127: istore_0
         128: goto          139
         131: bipush        9
         133: istore_0
         134: goto          139
         137: iconst_m1
         138: istore_0
         139: return
    
      static {};
        Code:
           0: iconst_1
           1: invokestatic  #25                 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
           4: putstatic     #15                 // Field _NUM:Ljava/lang/Integer;
           7: return
    }

从上面字节码可以看出 tableSwitchTest 使用的 tableswitch，而 lookupSwitchTest 则是使用的 lookupswitch。

#### tableswitch VS lookupSwitchTest ####

当执行一次 tableswitch 时，堆栈顶部的 int 值直接用作表中的索引，以便抓取跳转目标并立即执行跳转。也就是说 tableswitch 的存储结构类似于数组，是直接用索引获取元素的，所以整个查询的时间复杂度是 O(1)，这也意味着它的搜索速度非常快。

而执行 lookupswitch 时，会逐个进行分支比较或者使用二分法进行查询，因此查询时间复杂度是 O(log n)，**所以使用 lookupswitch 会比 tableswitch 慢**。

接下来我们使用实际的代码测试一下，他们两个之间的性能，测试代码如下：

package com.example.optimize;
    
    import org.openjdk.jmh.annotations.*;
    import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
    import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
    import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
    import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime) // 测试完成时间
    @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
    @Warmup(iterations = 2, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 预热 2 轮，每次 1s
    @Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 测试 5 轮，每次 3s
    @Fork(1) // fork 1 个线程
    @State(Scope.Thread) // 每个测试线程一个实例
    public class SwitchOptimizeTest {
    
        static Integer _NUM = -1;
    
        public static void main(String[] args) throws RunnerException {
            // 启动基准测试
            Options opt = new OptionsBuilder()
                    .include(SwitchOptimizeTest.class.getSimpleName()) // 要导入的测试类
                    .build();
            new Runner(opt).run(); // 执行测试
        }
    
        @Benchmark
        public void tableSwitchTest() {
            int num1;
            switch (_NUM) {
                case 1:
                    num1 = 1;
                    break;
                case 2:
                    num1 = 2;
                    break;
                case 3:
                    num1 = 3;
                    break;
                case 4:
                    num1 = 4;
                    break;
                case 5:
                    num1 = 5;
                    break;
                case 6:
                    num1 = 6;
                    break;
                case 7:
                    num1 = 7;
                    break;
                case 8:
                    num1 = 8;
                    break;
                case 9:
                    num1 = 9;
                    break;
                default:
                    num1 = -1;
                    break;
            }
        }
    
        @Benchmark
        public void lookupSwitchTest() {
            int num1;
            switch (_NUM) {
                case 1:
                    num1 = 1;
                    break;
                case 11:
                    num1 = 2;
                    break;
                case 3:
                    num1 = 3;
                    break;
                case 4:
                    num1 = 4;
                    break;
                case 19:
                    num1 = 5;
                    break;
                case 6:
                    num1 = 6;
                    break;
                case 33:
                    num1 = 7;
                    break;
                case 8:
                    num1 = 8;
                    break;
                case 999:
                    num1 = 9;
                    break;
                default:
                    num1 = -1;
                    break;
            }
        }
    }

以上代码的测试结果如下：

![format_png 3][]

可以看出在分支判断为 9 个时，**tableswitch 的性能比 lookupwitch 的性能快了约 1.3 倍。但即使这样 lookupwitch 依然比 if 查询性能要高很多**。

### 总结 ###

switch 的判断条件是 5 个时，性能比 if 高出了约 2.3 倍，**而当判断条件的数量越多时，他们的性能相差就越大**。而 switch 在编译为字节码时，会根据 switch 的判断条件是否紧凑生成两种代码：tableswitch（紧凑时生成）和 lookupswitch（非紧凑时生成），其中 tableswitch 是采用类似于数组的存储结构，直接根据索引查询元素；而 lookupswitch 则需要逐个查询或者使用二分法查询，**因此 tableswitch 的性能会比 lookupswitch 的性能高，但无论如何 switch 的性能都比 if 的性能要高**。

##### 最后的话 #####

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**参考 & 鸣谢**

https://www.javaguides.net/2020/03/5-best-ways-to-iterate-over-hashmap-in-java.html

[HashMap 的 7 种遍历方式与性能分析！「修正篇」][HashMap _ 7]

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[format_png 2]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X3BuZy9Icld3Nlp1WENzaDRZUTEwd2lhQ2hpYjZndURLNk9vbldNYm1kcWlhVE1PM3d6N204NnRjOXE5M0NGVnpicVBEaWNBUldSdkFpYXFVOGFPbnV2WlVIdGhpYkV0dy82NDA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 3]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X3BuZy9Icld3Nlp1WENzaDRZUTEwd2lhQ2hpYjZndURLNk9vbldNU3Vid1k1SEpmbEE3NDF6V3JpYUloYlhVMjRUaGdxSGFtYjl2elFCaWJ3bzFHS1JQY2ljSTNDYmVRLzY0MA?x-oss-process=image/format,png
[HashMap _ 7]: https://blog.csdn.net/sufu1065/article/details/105963766
[String_10]: https://blog.csdn.net/sufu1065/article/details/105781348
[format_png 4]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2dpZi9Icld3Nlp1WENzZ2NIc0dkU25tUjF0UUdZMTAxYkFRT3FRcXBUZ0JOQkw2c2RMWDFzYnVabzVoSnk2R3FoY3dzS3BaTFljQklFMEg1VEw4WW5vbmc3dy82NDA?x-oss-process=image/format,png