if快还是switch快？

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来源：Java中文社群

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：

<groupId>org.openjdk.jmh</groupId>

</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（紧凑时生产）和 lookupswitch（非紧凑时生产），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。

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