if快还是switch快？解密switch背后的秘密
这是我的第 57 篇原创文章
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>
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。