switch-case的底层原理

switch语句根据一个整数索引值进行多重分支，底层采用跳转表这种数据结构。本文整理了switch的底层原理与在C和Java中的使用规范。

参考资料

  1. Switch底层执行原理
  2. JAVA字符串类型switch的底层原理详析
  3. java基础(六) switch语句的深入解析

理解

执行switch时生成一个长度最大为case常量＋1的数组，程序首先判断switch变量是否大于最大case 常量，若大于，则跳到default分支处理；否则取得数组索引号为switch变量值大小，取得数组对应值即为相应case代码块地址，程序接着跳到此地址执行，完成分支的跳转。

示例

原C代码

对于fall through情况（即case中没有break），采用了分离的方法，将共同的部分放入rest中。

转换演示代码

优化

执行if-else是逐个条件进行判断，直到命中；与if-else语句相比，使用跳转表的优点是执行switch语句的时间与数量无关，且读取switch参数时只读取一次，就可跳到对应分支；缺点是维系了一个连续的数组，实际时使用空间换时间。

最大值与最小值跨度较大、且之间没有更多的条件情况下，实际申请的很多空间是没用的，这种情况下使用if-else更好。因此编译器会对case的顺序打乱，若case的值比较规律（数据差相同），就汇编成查询表；若各个case值之间非常离散，即无规律可言时，编译器会采取某种优化措施。

比如1，2，3，4，5，999这种情况也是很常见的，可以去掉最大值，去掉最小值重新测试，或者用二分法，分为2部分重新测试。

switch支持的类型

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switch (表达式) {
    case 常量表达式或枚举常量:
        语句;
        break;
    case 常量表达式或枚举常量:
        语句;
        break;
        ......
            default: 语句;
        break;
}

C

因为要将case值转换为表项i，以及switch值要根据case值转换为对应数组索引，所以switch入参时只支持整形及能够转为整形的数据类型。

Java

switch 匹配的表达式可以是：

  • byte、short、char、int类型及这4种类型的包装类型；
  • 枚举类型；
  • String 类型；

case 匹配的表达式可以是：

  • 常量表达式；
  • 枚举常量；

switch 底层是使用 int 型 来进行判断的，即使是枚举、String类型，最终也是转变成 int 型。由于 long 型表示范围大于 int 型，因此不支持 long 类型。

Java中支持String类型的原理

现在使用的Java的版本，基本上是都支持String类型的。

例：

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public static void main(String [] args){
    String str = "sdf";
    switch (str){
        case "aaa":
            break;
        case "ccc":
            break;
        case "bbb":
            break;
        default:
    }
}

将class文件反编译得到：

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public static void main(String[] var0) {
    String var1 = "sdf";
    byte var3 = -1;
    switch(var1.hashCode()) {
        case 96321:
            if (var1.equals("aaa")) {
                var3 = 0;
            }
            break;
        case 97314:
            if (var1.equals("bbb")) {
                var3 = 2;
            }
            break;
        case 98307:
            if (var1.equals("ccc")) {
                var3 = 1;
            }
    }

    switch(var3) {
        case 1:
        case 0:
        case 2:
        default:
    }
}

可以看到，String类型的switch，转换为了字符串的哈希比较，而其哈希返回的正是int类型。hash相同的情况再通过equals方法对比字符串的值（因为两个不同的字符串 hashCode 是有可能相等的），最后引进局部变量var3再进行跳转。

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