if快还是switch快？解密switch背后的秘密

Java技术架构 04-11 3925

前言：

当前姐妹们对“javaif与”大概比较关怀，兄弟们都需要学习一些“javaif与”的相关内容。那么小编同时在网摘上网罗了一些关于“javaif与””的相关资讯，希望各位老铁们能喜欢，看官们快快来了解一下吧！

作者：Java中文社群

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：

<!--  --><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 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;        }    }}

以上代码的测试结果如下：

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：

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：

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。

来源：掘金链接：

本文地址：http://www.longkongtuishu.com/cae68BmsLBFYBCw.html

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