通过汇编码理解switch语句的原理
来源:互联网 发布:帝国cms系统模型 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 17:14
http://blog.chinaunix.net/u3/94078/showart.php?id=1888387
当需要多次比较时,switch语句的效率比if-else if…… else语句(以后简称muti-if语句)的效率要高,这是我一直以来的理解,但是昨晚讨论到一个问题,这种“高效率”如何实现?今天早上又看到《更深入一点理解switch语句及c/c++对const的处理》和《透过IL看C# (1)switch语句》这两篇文章,前者(以后为[1])没有提及case语句中大跨度离散值的原理,后者(以后为[2])使用的离散数据量又比较小,而且该文侧重于用C#,由于不是很了解,不发表评论。
于是就写了一组程序,用gcc编译成汇编码(使用-S开关), 通过解读这些汇编码可以很好的帮助理解switch的原理。文中所涉及的环境为如下,Linux version 2.6.27.5-117.fc10.i686 (mockbuild@x86-7.fedora.phx.redhat.com) (gcc version 4.3.2 20081105 (Red Hat 4.3.2-7) (GCC) ) #1 SMP Tue Nov 18 12:19:59 EST 2008(取自/proc/version)
1.三个数据的比较
程序1.1
- int main(void)
- {
- int i, n;
- switch(i){
- case 101:
- n = 1;
- break;
- case 102:
- n = 2;
- break;
- case 103:
- n = 3;
- break;
- default:
- n = 0;
- break;
- }
- }
得到的汇编码1.1:
- .file "switch.c"
- .text
- .globl main
- .type main, @function
- main:
- leal 4(%esp), %ecx
- andl $-16, %esp
- pushl -4(%ecx)
- pushl %ebp
- movl %esp, %ebp
- pushl %ecx
- subl $24, %esp
- movl -12(%ebp), %eax
- movl %eax, -28(%ebp)
- cmpl $102, -28(%ebp)
- je .L4
- cmpl $103, -28(%ebp)
- je .L5
- cmpl $101, -28(%ebp)
- jne .L8
- .L3:
- movl $1, -8(%ebp)
- jmp .L9
- .L4:
- movl $2, -8(%ebp)
- jmp .L9
- .L5:
- movl $3, -8(%ebp)
- jmp .L9
- .L8:
- movl $0, -8(%ebp)
- .L9:
- addl $24, %esp
- popl %ecx
- popl %ebp
- leal -4(%ecx), %esp
- ret
- .size main, .-main
- .ident "GCC: (GNU) 4.3.2 20081105 (Red Hat 4.3.2-7)"
- .section .note.GNU-stack,"",@progbits
这里可以看出switch语句的效率与muti-if语句的效率基本相当,[1]中认为:“gcc确实是把一些case语句转成了李维所说的那种方式进行处理,我们看见了代码中存在有众多的 cmpl 与 jmp 语句这就相当于你使用if..else..一样”,但是如果观察仔细的话,可以看出和if语句还是有区别的(事实上我第一次也没有细看,但是在后面的实验中,我发现了switch语句的优化,回过头来才发现), switch对比较的顺序自动进行了优化, cmpl的顺序与case的顺序是不同的, 先比较的是102, 然后才是103, 101,这就相当于我们人为的对muti-if语句进行了优先顺序调整,尽管结果可能与我们预期的不同,但是编译器的确这样做了, 这点在后面的实验中尤为明显。
在[2]中,作者说C#在3个数据,且数据连续的情况下造表,在数据取值比较不连续的情况下也是造表然后填空数据,在数据取值非常不连续的情况下和muti-if比较相同,而且顺序与case的顺序相同。该文中对switch(int)的探讨也至此完结。
2.五个数据的比较
程序2.1 五个连续数据
- int main(void)
- {
- int i, n;
- switch(i){
- case 101:
- n = 1;
- break;
- case 102:
- n = 2;
- break;
- case 103:
- n = 3;
- break;
- case 104:
- n = 4;
- break;
- case 105:
- n = 5;
- break;
- default:
- n = 0;
- break;
- }
- }
汇编码2.1:
- .file "switch.c"
- .text
- .globl main
- .type main, @function
- main:
- leal 4(%esp), %ecx
- andl $-16, %esp
- pushl -4(%ecx)
- pushl %ebp
- movl %esp, %ebp
- pushl %ecx
- subl $24, %esp
- movl -12(%ebp), %eax
- subl $101, %eax
- movl %eax, -28(%ebp)
- cmpl $4, -28(%ebp)
- ja .L2
- movl -28(%ebp), %edx
- movl .L8(,%edx,4), %eax
- jmp *%eax
- .section .rodata
- .align 4
- .align 4
- .L8:
- .long .L3
- .long .L4
- .long .L5
- .long .L6
- .long .L7
- .text
- .L3:
- movl $1, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L4:
- movl $2, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L5:
- movl $3, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L6:
- movl $4, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L7:
- movl $5, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L2:
- movl $0, -8(%ebp)
- .L11:
- addl $24, %esp
- popl %ecx
- popl %ebp
- leal -4(%ecx), %esp
- ret
- .size main, .-main
- .ident "GCC: (GNU) 4.3.2 20081105 (Red Hat 4.3.2-7)"
可以看出,这里switch确实如同[1][2]中所述,编译器自造了.L8指向的表,表中标明了case跳转的入口,由此可见,这种情况下swithc效率确实比muti-if高,通过减去最小值所的的偏移来在表中寻找跳转入口。
程序2.2 五个比较连续数据
- int main(void)
- {
- int i, n;
- switch(i){
- case 101:
- n = 1;
- break;
- case 103:
- n = 2;
- break;
- case 106:
- n = 3;
- break;
- case 109:
- n = 4;
- break;
- case 112:
- n = 5;
- break;
- default:
- n = 0;
- break;
- }
- }
汇编码2.2:
- .file "switch.c"
- .text
- .globl main
- .type main, @function
- main:
- leal 4(%esp), %ecx
- andl $-16, %esp
- pushl -4(%ecx)
- pushl %ebp
- movl %esp, %ebp
- pushl %ecx
- subl $24, %esp
- movl -12(%ebp), %eax
- subl $101, %eax
- movl %eax, -28(%ebp)
- cmpl $11, -28(%ebp)
- ja .L2
- movl -28(%ebp), %edx
- movl .L8(,%edx,4), %eax
- jmp *%eax
- .section .rodata
- .align 4
- .align 4
- .L8:
- .long .L3
- .long .L2
- .long .L4
- .long .L2
- .long .L2
- .long .L5
- .long .L2
- .long .L2
- .long .L6
- .long .L2
- .long .L2
- .long .L7
- .text
- .L3:
- movl $1, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L4:
- movl $2, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L5:
- movl $3, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L6:
- movl $4, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L7:
- movl $5, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L2:
- movl $0, -8(%ebp)
- .L11:
- addl $24, %esp
- popl %ecx
- popl %ebp
- leal -4(%ecx), %esp
- ret
- .size main, .-main
- .ident "GCC: (GNU) 4.3.2 20081105 (Red Hat 4.3.2-7)"
- .section .note.GNU-stack,"",@progbits
这里也如[2]所述, 建立了一个长度为case中最大值与最小值之差的表, case中未定义的则转到defalut来执行。
程序2.3 五个非常不连续的数据
- int main(void)
- {
- int i, n;
- switch(i){
- case 100:
- n = 1;
- break;
- case 120:
- n = 2;
- break;
- case 140:
- n = 3;
- break;
- case 160:
- n = 4;
- break;
- case 180:
- n = 5;
- break;
- default:
- n = 0;
- break;
- }
- }
汇编码2.3:
- .file "switch.c"
- .text
- .globl main
- .type main, @function
- main:
- leal 4(%esp), %ecx
- andl $-16, %esp
- pushl -4(%ecx)
- pushl %ebp
- movl %esp, %ebp
- pushl %ecx
- subl $24, %esp
- movl -12(%ebp), %eax
- movl %eax, -28(%ebp)
- cmpl $140, -28(%ebp)
- je .L5
- cmpl $140, -28(%ebp)
- jg .L8
- cmpl $100, -28(%ebp)
- je .L3
- cmpl $120, -28(%ebp)
- je .L4
- jmp .L2
- .L8:
- cmpl $160, -28(%ebp)
- je .L6
- cmpl $180, -28(%ebp)
- je .L7
- jmp .L2
- .L3:
- movl $1, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L4:
- movl $2, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L5:
- movl $3, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L6:
- movl $4, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L7:
- movl $5, -8(%ebp)
- jmp .L11
- .L2:
- movl $0, -8(%ebp)
- .L11:
- addl $24, %esp
- popl %ecx
- popl %ebp
- leal -4(%ecx), %esp
- ret
- .size main, .-main
- .ident "GCC: (GNU) 4.3.2 20081105 (Red Hat 4.3.2-7)"
- .section .note.GNU-stack,"",@progbits
可以看到,这里switch又进行了二分法查找的优化, 而且当我把程序中“100, 120, 140, 160, 180”的顺序任意打乱后,得到的汇编码都是相同的,由此可以推测,switch在编译时会先获得case中的各值,然后进行排序,最后生成使用二分法优化的查找比较模式。
另外,我推测使用造表法和二分查表法的应该是依据case中最大值与最小值之差与case语句个数来取舍的。
3 更多数据的比较
这里我又进行了更多条case语句的比较,程序源代码和生成的汇编码可以通过附件下载,通过比较,结论与我上面的推测基本相同。
4 为什么C/C++中switch语句需要的是整型或字符型
我们知道,在C中,字符型实际上也是作为整型来存储的,所以这个问题实际上是指switch语句只支持整型数据。由上面的讨论可以知道char的结果与整型应该是相同的
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