if快还是switch快？解密switch背后的秘密

 [[325832]]

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

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> 

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：   

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。