为什么 switch 语句效率比 if-else 语句高

switch 语句和 if-else 语句都是条件控制语句，为什么说 switch 语句效率比 if-else 语句高呢?

要回答这个问题，我们先要了解条件控制语句的底层原理是什么。

在计算机底层程序最终都会转换成一条条的指令，CPU 有一个程序计数器（PC），指向下一条要执行的指令，CPU 根据程序计数器的指示加载指令并且执行。

指令大部分是具体的操作和运算，执行完一条指令后，程序计数器会自动指向挨着的下一条指令。

但有一些特殊的指令，称为跳转指令，if-else 语句实际上就会转换为这些跳转指令。

跳转指令会修改程序计数器的值，让 CPU 跳到一个指定的地方执行。

跳转指令有两种：

  • 条件跳转：检查某个条件，满足则进行跳转；
  • 无条件跳转：直接进行跳转。

下面一个简单的if语句：

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if (a > b) {
    c = 1;
} else {
    c = 2;
}

可能被编译为类似这样的汇编代码：

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; 假设a在eax，b在ebx，c在ecx
CMP eax, ebx      ; 比较a和b
JLE else_branch   ; 如果a<=b，跳转到else分支
MOV ecx, 1        ; a>b，执行c=1
JMP end_if        ; 跳过else分支
else_branch:
MOV ecx, 2        ; 执行c=2
end_if:
; 继续执行后续代码

这里：

  • JLE（Jump if Less or Equal）是条件跳转指令，根据标志位决定是否跳转
  • JMP 是无条件跳转指令

if、if/else、if/else if/else、三元运算符 都会转换为条件跳转和无条件跳转，但 switch 语句不太一样。

switch 的转换和具体系统实现有关：

  • 如果分支比较少，可能会转换为跳转指令；
  • 如果分支比较多，使用条件跳转会进行很多次的比较运算，效率比较低，可能会使用一种更为高效的方式，叫跳转表。

跳转表是一个映射表，存储了可能的值以及要跳转到的地址，如下表所示：

条件值 跳转地址
值 1 指令 1 的地址
值 2 指令 2 的地址
… …
值 n 指令 n 的地址

跳转表中的值必须为整数，且按大小顺序排序，这样就可以使用高效的二分查找。

如果值是连续的，则跳转表还会进行特殊优化，优化为一个数组，值就是数组的下标索引。即使值不是连续的，但数字比较密集，编译器也可能会优化为一个数组型的跳转表，没有的值指向 default 分支。

switch 值的类型可以是 byte、short、int、char、enum 和 String，其中 byte/short/int 本来就是整数，char 本质上也是整数，而 enum 类型也有对应的整数。

String 用于 switch 时会通过 hashCode() 方法转换为整数，但不同 String 的 hashCode 可能相同，跳转后会再次根据 String 的内容进行比较判断。

但是 switch 不可以使用 long，因为跳转表值的存储空间一般为 32 位，容纳不下 long。