java中if快還是switch快

這篇文章主要講解了“java中if快還是switch快”，文中的講解內(nèi)容簡(jiǎn)單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請(qǐng)大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來(lái)研究和學(xué)習(xí)“java中if快還是switch快”吧！

switch VS if

要盡量使用 switch 因?yàn)樗男阅鼙容^高，但具體高多少？以及為什么高的原因?qū)⒃诒疚臑槟憬視浴?/p>

我們依然借助 Oracle 官方提供的 JMH（Java Microbenchmark Harness，JAVA 微基準(zhǔn)測(cè)試套件）框架來(lái)進(jìn)行測(cè)試，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>

然后編寫(xiě)測(cè)試代碼，我們這里添加 5 個(gè)條件判斷分支，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

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) // 測(cè)試完成時(shí)間  @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)  @Warmup(iterations = 2, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 預(yù)熱 2 輪，每次 1s  @Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 測(cè)試 5 輪，每次 3s  @Fork(1) // fork 1 個(gè)線程  @State(Scope.Thread) // 每個(gè)測(cè)試線程一個(gè)實(shí)例  public class SwitchOptimizeTest {      static Integer _NUM = 9;      public static void main(String[] args) throws RunnerException {          // 啟動(dòng)基準(zhǔn)測(cè)試          Options opt = new OptionsBuilder()                  .include(SwitchOptimizeTest.class.getSimpleName()) // 要導(dǎo)入的測(cè)試類(lèi)                  .output("/Users/admin/Desktop/jmh-switch.log") // 輸出測(cè)試結(jié)果的文件                  .build();          new Runner(opt).run(); // 執(zhí)行測(cè)試      }      @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;          }      }  }

以上代碼的測(cè)試結(jié)果如下： 

備注：本文的測(cè)試環(huán)境為：JDK 1.8 / Mac mini (2018) / Idea 2020.1

從以上結(jié)果可以看出（Score 列），switch 的平均執(zhí)行完成時(shí)間比 if 的平均執(zhí)行完成時(shí)間快了約 2.33 倍。

性能分析

為什么 switch 的性能會(huì)比 if 的性能高這么多？

這需要從他們字節(jié)碼說(shuō)起，我們把他們的代碼使用 javac 生成字節(jié)碼如下所示：

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  }

這些字節(jié)碼中最重要的信息是“getstatic     #15”，這段代碼表示取出“_NUM”變量和條件進(jìn)行判斷。

從上面的字節(jié)碼可以看出，在 switch 中只取出了一次變量和條件進(jìn)行比較，而 if 中每次都會(huì)取出變量和條件進(jìn)行比較，因此 if 的效率就會(huì)比 switch 慢很多。

提升測(cè)試量

前面的測(cè)試代碼我們使用了 5 個(gè)分支條件來(lái)測(cè)試了 if 和 switch 的性能，那如果把分支的判斷條件增加 3 倍（15 個(gè)）時(shí)，測(cè)試的結(jié)果又會(huì)怎么呢？

增加至 15 個(gè)分支判斷的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

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) // 測(cè)試完成時(shí)間  @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)  @Warmup(iterations = 2, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 預(yù)熱 2 輪，每次 1s  @Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 測(cè)試 5 輪，每次 3s  @Fork(1) // fork 1 個(gè)線程  @State(Scope.Thread) // 每個(gè)測(cè)試線程一個(gè)實(shí)例  public class SwitchOptimizeTest {      static Integer _NUM = 1;      public static void main(String[] args) throws RunnerException {          // 啟動(dòng)基準(zhǔn)測(cè)試          Options opt = new OptionsBuilder()                  .include(SwitchOptimizeTest.class.getSimpleName()) // 要導(dǎo)入的測(cè)試類(lèi)                  .output("/Users/admin/Desktop/jmh-switch.log") // 輸出測(cè)試結(jié)果的文件                  .build();          new Runner(opt).run(); // 執(zhí)行測(cè)試      }      @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;          }      }  }

以上代碼的測(cè)試結(jié)果如下：

從 Score 的值可以看出，當(dāng)分支判斷增加至 15 個(gè)，switch 的性能比 if 的性能高出了約 3.7 倍，而之前有 5 個(gè)分支判斷時(shí)的測(cè)試結(jié)果為，switch 的性能比 if 的性能高出了約 2.3 倍，也就是說(shuō)分支的判斷條件越多，switch 性能高的特性體現(xiàn)的就越明顯。

switch 的秘密

對(duì)于 switch 來(lái)說(shuō)，他最終生成的字節(jié)碼有兩種形態(tài)，一種是 tableswitch，另一種是 lookupswitch，決定最終生成的代碼使用那種形態(tài)取決于 switch 的判斷添加是否緊湊，例如到 case 是 1...2...3...4 這種依次遞增的判斷條件時(shí)，使用的是 tableswitch，而像 case 是 1...33...55...22 這種非緊湊型的判斷條件時(shí)則會(huì)使用 lookupswitch，測(cè)試代碼如下：

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;          }      }  }

對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼如下：

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  }

從上面字節(jié)碼可以看出 tableSwitchTest 使用的 tableswitch，而 lookupSwitchTest 則是使用的 lookupswitch。

tableswitch VS lookupSwitchTest

當(dāng)執(zhí)行一次 tableswitch 時(shí)，堆棧頂部的 int 值直接用作表中的索引，以便抓取跳轉(zhuǎn)目標(biāo)并立即執(zhí)行跳轉(zhuǎn)。也就是說(shuō) tableswitch 的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)類(lèi)似于數(shù)組，是直接用索引獲取元素的，所以整個(gè)查詢(xún)的時(shí)間復(fù)雜度是 O(1)，這也意味著它的搜索速度非常快。

而執(zhí)行 lookupswitch 時(shí)，會(huì)逐個(gè)進(jìn)行分支比較或者使用二分法進(jìn)行查詢(xún)，因此查詢(xún)時(shí)間復(fù)雜度是 O(log n)，所以使用 lookupswitch 會(huì)比 tableswitch 慢。

接下來(lái)我們使用實(shí)際的代碼測(cè)試一下，他們兩個(gè)之間的性能，測(cè)試代碼如下：

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) // 測(cè)試完成時(shí)間  @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)  @Warmup(iterations = 2, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 預(yù)熱 2 輪，每次 1s  @Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 測(cè)試 5 輪，每次 3s  @Fork(1) // fork 1 個(gè)線程  @State(Scope.Thread) // 每個(gè)測(cè)試線程一個(gè)實(shí)例  public class SwitchOptimizeTest {      static Integer _NUM = -1;      public static void main(String[] args) throws RunnerException {          // 啟動(dòng)基準(zhǔn)測(cè)試          Options opt = new OptionsBuilder()                  .include(SwitchOptimizeTest.class.getSimpleName()) // 要導(dǎo)入的測(cè)試類(lèi)                  .build();          new Runner(opt).run(); // 執(zhí)行測(cè)試      }      @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;          }      }  }

以上代碼的測(cè)試結(jié)果如下：

可以看出在分支判斷為 9 個(gè)時(shí)，tableswitch 的性能比 lookupwitch 的性能快了約 1.3 倍。但即使這樣 lookupwitch 依然比 if 查詢(xún)性能要高很多。

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