C++中switch-case的性能优化策略详解

【起源】
听到有人讨论if-else的执行效率，当分支较多时，if-else 往往需要逐个判断条件，最坏情况可能导致线性（O(N)）的比较开销。switch-case 同样是一种控制流语句。有人说它的执行效率比 if-else 更高，但这是真的吗？为什么有这样的说法？不清楚。 switch 是如何确定跳转目标的？不清楚。
if倒是很好猜，通过一个一个条件判断进行比较，那switch-case呢？

在 C++ 开发中，switch-case 是常见的控制流语句之一。虽然它看似简单，但背后编译器的优化方式却多种多样，对程序性能有显著影响。本文从性能优化的角度出发，深入剖析 switch-case 的三种主要实现方式：线性比较（if-else 风格）、跳表（jump table） 和 二分查找（binary search tree），并提供示例与编译器生成汇编的分析。

【碎碎念】
所以switch-case的实现方式并不是只有一种，编译器会根据不同场景生成不同的汇编代码，那这几种汇编生成方式原理是什么？会有什么效率差异？

背景

汇编分析的必要性

同一段高级语言代码，在不同编译器、目标平台或优化等级下，可能会生成截然不同的汇编代码。
由于汇编语言是对机器语言的直接映射，仅比其抽象一层，因此能够清晰地展现程序在指令层级的真实执行方式。
通过分析汇编代码，我们可以在一定程度上评估程序的执行效率，定位性能瓶颈。

快速生成汇编代码

• godbolt可以用于快速生成汇编代码

switch-case 基本语法结构

// 代码示例
int switch_dense(int x) {switch (x) {case 0: return x + 100;case 1: return x + 11;case 2: return x + 1002;case 3: return x + 1053;case 4: return x + 104;case 5: return x + 105;case 6: return x + 106;case 7: return x + 107;case 8: return x + 108;case 9: return x + 109;default: return -1;}
}

这是经典的switch-case写法，从源码层面写的都是switch-case，但是编译器会根据 case 值的数量和分布特征选择不同的优化策略，从而生成不同的汇编语言。

代数归纳优化

这里每一个case中的计算内容会尽量写的没有规律，不然编译器可能会有代数归纳优化，从而掩盖跳表/二分查找优化。
这里简单说一下代数归纳优化

int switch_dense(int x) {switch (x) {case 0: return 100;case 1: return 200;case 2: return 300;}return -1;
}

上述代码在汇编层面会直接优化为：

switch_dense2(int):cmp     edi, 2ja      .L13add     edi, 1imul    eax, edi, 100ret
.L13:mov     eax, -1ret

简单描述就是

若输入大于2，直接跳转到.L13，返回-1
若不是，则返回(x+1)*100

多个返回值因为过于规律直接被优化成了公式。

编译器的三种汇编生成策略

跳表（jump table）

特点

当 case 数值连续或接近连续的情况，也就是case数值为稠密的情况，通常超过 4~5 个连续 case，在设置优化级别大于-O2时GCC/Clang 会倾向于生成跳表。

每一个编译器都有自己的稠密标准判断，这里详细说明一下怎么计算，假设源码中case是顺序的

switch(x)
{case A: xxx
...................case B: xxx
}

A~B之间的case数量为n，n/(B-A + 1)就可以知道case的稠密程度，这个稠密程序会让编译器决定是否选择跳表，太稀疏的话就不会。

什么是跳表

• 即函数指针数组，通过索引直接跳转。
• 时间复杂度为 O(1)，但空间占用较大（尤其稀疏时浪费空间）。

案例及说明

源代码

int switch_dense(int x) {switch (x) {case 0: return x + 100;case 1: return x + 11;case 2: return x + 1002;case 3: return x + 1053;case 4: return x + 104;case 5: return x + 105;default: return -1;}
}

使用godbolt生成的汇编代码，可以看到使用跳表之后非常快，当知道x的值是多少之后，直接根据偏移跳转到了对于的执行电，避免了条件判断，能达到O(1)的速度。

switch_dense(int):cmp     edi, 5                ; 判断参数 x 是否 > 5（case 最大值）ja      .L13                  ; 如果 x > 5，跳转到 default 分支; 否则说明 0 <= x <= 5，可以使用跳表快速定位mov     edi, edi             ; 加载跳表地址 + 偏移：eax = *(CSWTCH.7 + 4 * x)mov     eax, DWORD PTR CSWTCH.7[0+rdi*4]ret                          ; 返回 eax 中的结果.L13:mov     eax, -1              ; default: 返回 -1ret................................
................................
; 跳表数据区，一般位于 .rodata 或 .text 中
CSWTCH.7:.long   100   ; case 0: return 0 + 100 = 100.long   12    ; case 1: return 1 + 11 = 12.long   1004  ; case 2: return 2 + 1002 = 1004.long   1056  ; case 3: return 3 + 1053 = 1056.long   108   ; case 4: return 4 + 104 = 108.long   110   ; case 5: return 5 + 105 = 110

如果不是这种紧凑的，而是中间有空位的，例如把case 4的情况去掉，那么一样会生成跳表，只不过在对于的x == 4对于的位置直接返回-1

CSWTCH.7:.long   100.long   12.long   1004.long   1056.long   -1 ; x == 4.long   110

二分查找

特点

• 编译器生成按值划分的比较树，类似手写二分。
• 时间复杂度 O(log n)，空间开销小于跳表，运行速度快于线性判断。

案例

int baz(int x) {switch (x) {case 1: return 10;case 5: return 50;case 10: return 100;case 20: return 200;case 40: return 400;case 80: return 800;default: return -1;}
}

baz(int):cmp     edi, 20je      .L17jg      .L16mov     eax, 50cmp     edi, 5je      .L14mov     eax, 100cmp     edi, 10je      .L14cmp     edi, 1mov     edx, 10mov     eax, -1cmove   eax, edxret
.L16:mov     eax, 400cmp     edi, 40je      .L14cmp     edi, 80mov     edx, 800mov     eax, -1cmove   eax, edxret
.L17:mov     eax, 200
.L14:ret

顺序判断（if-else 风格）

特点

• 按顺序生成多个 cmp + je/jne 语句。
• 时间复杂度为 O(n)。

案例

不开优化一般就是顺序判断

int switch_func(int x) {switch (x) {case 0: return x + 100;case 1: return x + 11;case 2: return x + 1002;default: return -1;}
}

汇编代码，就是一个一个顺序比较下去

switch_func(int):push    rbpmov     rbp, rspmov     DWORD PTR [rbp-4], edicmp     DWORD PTR [rbp-4], 2je      .L2cmp     DWORD PTR [rbp-4], 2jg      .L3cmp     DWORD PTR [rbp-4], 0je      .L4cmp     DWORD PTR [rbp-4], 1je      .L5jmp     .L3
.L4:mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]add     eax, 100jmp     .L6
.L5:mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]add     eax, 11jmp     .L6
.L2:mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]add     eax, 1002jmp     .L6
.L3:mov     eax, -1
.L6:pop     rbpret

总结

开优化，混着用
一般编译器不会局限于一种方式，在一个switch中有可能会几种方式混着用，不过一般只要开了优化，最差也是二分查找，如果有一段case比较密集，还会跳表和二分法混着用。

建议

• 尽量使用连续且小范围的 case 值。这样编译器倾向于使用跳转表（jump table）。
• 开启编译器优化选项