更深入一点理解 switch 语句 及 c/c++ 对 const 的处理

前段时间在论坛上看见台湾李维在<<Borland传奇>>一书中对windows编程模式中,消息处理部分有如下的一些分析:
他说,在消息处理循环中,一般的形式是这样的
MSG msg ;
switch( msg ){
        case WM_XXXXXXX :
                ....
        case WM_XXXXXXX :
                ....
        case WM_XXXXXXX :
                ....
} ;
李维说,这种模式是很低效的,因应经过汇编后,这种C代码会产生如下的汇编代码
        cmp .... .....
        jnz .... .....
        cmp .... .....
        jnz .... .....
        cmp .... .....
        jnz .... .....
如果你的 case 足够多,比如,你有一万条消息需要处理,而不幸的是你把一条最常用的消息
放在了最后一位,那么当这条消息要得到处理,会首先经过一万次的cmp与jnz, 李维认为,这
是非常非常低效的,实在是低效的忍无可忍,无需再忍~~:P

在起初,我也是这样认为的,但近来的阅读及实验却发现,这种看法非常片面,今天就来谈谈这个问题( 所有实验在 linux 平台下完成 )

首先看一到用 c 编写的程序
/* -------------------- filename : ta.c --------------- */
int switch_test_first( int x )
{
        int res ;
        switch( x ){
                case 100 :
                        res = 1 ;
                        break ;
                case 102 :
                        res = 2 ;
                        break ;
                case 103 :
                        res = 3 ;
                        break ;
        }
        return res ;
}
然后,我们用 gcc 将它编译成汇编文件( 使用 -S 开关 )
gcc -S ta.c 
将得到如下的汇编文件( ta.s )
        .file   "ta.c"
        .text
.globl switch_test_first
        .type   switch_test_first,@function
switch_test_first:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        subl    $8, %esp
        movl    8(%ebp), %eax
        .file   "ta.c"
        .text
.globl switch_test_first
        .type   switch_test_first,@function
switch_test_first:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        subl    $8, %esp
        movl    8(%ebp), %eax
        movl    %eax, -8(%ebp)
        cmpl    $102, -8(%ebp)          // 1
        je      .L4                     // 2
        cmpl    $102, -8(%ebp)          // 3    
        jg      .L8                     // 4
        cmpl    $100, -8(%ebp)          // 5
        je      .L3                     // 6
        jmp     .L2                     // 7
.L8:
        cmpl    $103, -8(%ebp)
        je      .L5
        jmp     .L2
.L3:
        movl    $1, -4(%ebp)
        jmp     .L2
.L4:
        movl    $2, -4(%ebp)
        jmp     .L2
.L5:
        movl    $3, -4(%ebp)
.L2:
        movl    -4(%ebp), %eax
        leave
        ret
.Lfe1:
        .size   switch_test_first,.Lfe1-switch_test_first
        .ident  "GCC: (GNU) 3.2.2 20030222 (Red Hat Linux 3.2.2-5)"

注意看文件中 // 1 ~ // 7 的部份,从这个部份,我们可以看出,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,但是否总是这样呢?

我们下面改动一下 ta.c 这个文件,在里面再多加一些 case 语句
/* -------------- filename : new_ta.c ------------------- */
int switch_test_first( int x )
{
        int res ;
        switch( x ){
                case 100 :
                        res = 1 ;
                        break ;
                case 102 :
                        res = 2 ;
                        break ;
                case 103 :
                        res = 3 ;
                        break ;
                case 104 :
                        res = 4 ;
                        break ;
                case 105 :
                        res = 5 ;
                        break ;
                case 106 :
                        res = 6 ;
                        break ;
        }
        return res ;
}
这个 new_ta.c 与原来的 ta.c 在结构上完全相同,唯一不同的就是 case 语句的数量变多了,下面我们来编译一下这个文件
gcc -S new_ta.c 
下面是我们产生的更新的汇编文件
        .file   "new_ta.c"
        .text
.globl switch_test_first
        .type   switch_test_first,@function
switch_test_first:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        subl    $8, %esp
        movl    8(%ebp), %eax
        subl    $100, %eax
        movl    %eax, -8(%ebp)
        cmpl    $6, -8(%ebp)
        ja      .L2
        movl    -8(%ebp), %edx
        movl    .L9(,%edx,4), %eax
        jmp     *%eax
        .section        .rodata
        .align 4
        .align 4
.L9:                             // A
        .long   .L3
        .long   .L2
        .long   .L4
        .long   .L5
        .long   .L6
        .long   .L7
        .long   .L8
        .text
.L3:                            // 1
        movl    $1, -4(%ebp)
        jmp     .L2
.L4:                            // 2 
        movl    $2, -4(%ebp)
        jmp     .L2
.L5:                            // 3
        movl    $3, -4(%ebp)
        jmp     .L2             // 4   
.L6:
        movl    $4, -4(%ebp)
        jmp     .L2             // 5
.L7:
        movl    $5, -4(%ebp)    // 6
        jmp     .L2
.L8:                            // 7
        movl    $6, -4(%ebp)
.L2:                            
        movl    -4(%ebp), %eax
        leave
        ret
.Lfe1:
        .size   switch_test_first,.Lfe1-switch_test_first
        .ident  "GCC: (GNU) 3.2.2 20030222 (Red Hat Linux 3.2.2-5)"

仔细比较一下这个最新的 new_ta.s 与前面的 ta.s,精华全在里面了!
首先 new_ta.s 比前面的 ta.s 多了一个 .L9 部分，而且它的 // 1 ~ // 7 中没有了前面
ta.s 文件中所存在的众多的 cmpl 与 jmp 语句，那么，现在这样的代码又是怎么实现 
switch 语句中的跳转的呢？我们来仔细分析一下它新多出来的 .L9 部份。
        .section        .rodata
        .align 4
        .align 4
.L9:
        .long   .L3
        .long   .L2
        .long   .L4
        .long   .L5
        .long   .L6
        .long   .L7
        .long   .L8
        .text
显而易见，.L9 部份是一个我们最常见的数据结构——表，它的每一项都是一个标号，而这个标号，恰恰是每个 case 语句的入口标号！
这很容易让我们想到，它很可能是用了一张表来存放所有的 case 语句的入口，然后，在
执行 switch 语句的时候就从这个表中直接检出相应的 case 语句的入口地址，然后跳转
到相应的 case 语句去执行，就像hash_table似的。具体是不是这样呢？我们看看进入
switch 部份的代码:

        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        subl    $8, %esp
        movl    8(%ebp), %eax
        subl    $100, %eax
        movl    %eax, -8(%ebp)
        cmpl    $6, -8(%ebp)
        ja      .L2
        movl    -8(%ebp), %edx
        movl    .L9(,%edx,4), %eax // 1
        jmp     *%eax              // 2
果然如此！首先在 // 1 处根据%edp的值（其值相当于表的下标）在.L9的表中找到相应
case 语句的入口地址，并把这个地址存到%eax中，然后通过 // 2 （这是一个间接跳转
语句）转到%eax存放的地址中，也即相应的case语句处。
C编译器，果然聪明！

通过这个分析我们可以知道如下两点：
1. 当 case 语句少的时候，C编译器将其转成 if..else.. 类型进行处理，运用较多的
   cmp 与 jmp 语句 ，而当 case 语句较多的时候，C编译器会出成一个跳转表，而直
   接通过跳转表进行跳转，这让 switch 具有非常高的效律，而且效律几乎不会因为
   case 语句的增长而减小，李维所担忧的问题是完全不会发生的
2. 可以问答下面几个问题：
   1. 为什么 case 语句中需要的是整数类型而不能是其余的类型？
      这是因为，case 语句中的这个值是用来做跳转表的下标的，因此，当然必须是整数
   2. 为什么 case 语句在不加break的时候具有直通性?
      这是因为跳转是在进入 switch 是计算出的，而不是在case语句中计算出的，整个
      case 语句群就是一块完整而连续的代码，只是switch让其从不同的位置开始执行。

上面的内容，在《Computer Systems A Programmer's Perspective》中有很详细的论述，
感兴趣可以去找来仔细看看~~~

既然，case 语句需要的是整数的常量值，那么我们是否可用 const 类型呢？比如下面
一段代码：

const int c_1 = 100 ;
const int c_2 = 102 ;

void test( int x )
{
        switch( x ){
                case c_1 :
                        ++x ;
                case c_2 :
                        --x ;
        }
}

这段代码，用 c 编译器编译，编译器会提示错误，但在 c++ 编译器中却不会，这主要是由于 c , 与 c++ 编译器对 const 这个东东的处理不同。我们来看看下面一段 c 程序
/*------------- filename : const_c.c -----------*/
const int a = 15 ;

void f( int x )
{
        x = a ;
}
同样用 gcc 编译 
gcc -S const_c.c
然后，来看看它的汇编文件
        .file   "const_c.c"
.globl a
        .section        .rodata
        .align 4
        .type   a,@object
        .size   a,4
a:                             // 1
        .long   15
        .text
.globl f
        .type   f,@function
f:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        movl    a, %eax        // 2  
        movl    %eax, 8(%ebp)
        leave
        ret
.Lfe1:
        .size   f,.Lfe1-f
        .ident  "GCC: (GNU) 3.2.2 20030222 (Red Hat Linux 3.2.2-5)"
注意 // 1 处，C 编译器为 a 分配了地址，并把它的值设为 15 ，而在 // 2 处，它是将
a 这个地址中的值赋给了 %eax，这同一般的普通变量而非const 变量赋值没什么两样

下面我们用 c++ 编译器来编译这段代码，它产生的汇编文件如下：
        .file   "const_cpp.cpp"
        .text
        .align 2
.globl _Z1fi
        .type   _Z1fi,@function
_Z1fi:
.LFB2:
        pushl   %ebp
.LCFI0:
        movl    %esp, %ebp
.LCFI1:
        movl    $15, 8(%ebp)  // 1
        leave
        ret
.LFE2:
.Lfe1:
        .size   _Z1fi,.Lfe1-_Z1fi
        .section        .rodata
        .align 4
        .type   a,@object
        .size   a,4
a:
        .long   15
        .ident  "GCC: (GNU) 3.2.2 20030222 (Red Hat Linux 3.2.2-5)"
同样注意// 1 处，它以经把 a 的值用 15 来取代了，
也就是说，在c中const变量的行为更像一个非const变量，而在cpp中，const变量的行为就像是#define
由于 c++ 中，const 变量的值是在编译时就计算出来的，因此，它可以用在 case 语句中，而 c 中，const值在编译时只是一个变量的地址，因此，它无法用在 case 语句中.
-----------------------------------------------------------------------------
参考文献：<<Computer Systems A Programmer's Perspective>>

转自http://blog.csdn.net/xiaohan13916830/article/details/76724#comments