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if快还是switch快?解密switch背后的秘密

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》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:

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jmh/jmh-core -->
<dependency>
   <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
   <artifactId>jmh-core</artifactId>
   <version>1.23</version>
</dependency>
复制代码

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 1s
@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;
        }
    }
}
复制代码

以上代码的测试结果如下:

img

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
}
复制代码

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;
        }
    }
}
复制代码

以上代码的测试结果如下:

img

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;
        }
    }
}
复制代码

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
}
复制代码

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;
        }
    }
}
复制代码

以上代码的测试结果如下:

img

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

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