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。
最后的话
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参考 & 鸣谢
https://www.javaguides.net/2020/03/5-best-ways-to-iterate-over-hashmap-in-java.html
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转载：https://blog.csdn.net/sufu1065/article/details/106010345
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