深入理解Java的switch...case...語句

switch...case...中條件表達式的演進

• 最早時，只支持int、char、byte、short這樣的整型的基本類型或對應的包裝類型Integer、Character、Byte、Short常量
• JDK1.5開始支持enum，原理是給枚舉值進行了內部的編號，進行編號和枚舉值的映射
• 1.7開始支持String，但不允許為null。（原因可以看后文）

case表達式僅限字面值常量嗎？

case表達式既可以用字面值常量，也可以用final修飾且初始化過的變量。例如以下代碼可正常編譯並執行：

    public static int test(int i) {
        final int j = 2;
        int result;
        switch (i) {
            case 0:
                result = 0;
                break;
            case j:
                result = 1;
                break;
            case 10:
                result = 4;
                break;
            default:
                result = -1;
        }
        return result;
    }

但是沒有初始化就不行，比如下面的代碼就無法通過編譯

public class SwitchTest {

    private final int caseJ;

    public int test(int i) {
        int result;
        switch (i) {
            case 0:
                result = 0;
                break;
            case caseJ:
                result = 1;
                break;
            case 10:
                result = 4;
                break;
            default:
                result = -1;
        }
        return result;
    }

    SwitchTest(int caseJ) {
        this.caseJ = caseJ;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SwitchTest testJ = new SwitchTest(1);
        System.out.print(testJ.test(2));
    }
}

lookupswitch和tableswitch

下面兩種幾乎一樣的代碼，會編譯出大相徑庭的字節碼。

lookupswitch

    public static int test(int i) {

        int result;
        switch (i) {
            case 0:
                result = 0;
                break;
            case 2:
                result = 1;
                break;
            case 10:
                result = 4;
                break;
            default:
                result = -1;
        }
        return result;
    }

對應字節碼

  public static int test(int);
    Code:
       0: iload_0
       1: lookupswitch  { // 3
                     0: 36
                     2: 41
                    10: 46
               default: 51
          }
      36: iconst_0
      37: istore_1
      38: goto          53
      41: iconst_1
      42: istore_1
      43: goto          53
      46: iconst_4
      47: istore_1
      48: goto          53
      51: iconst_m1
      52: istore_1
      53: iload_1
      54: ireturn

tableswitch

    public static int test(int i) {

        int result;
        switch (i) {
            case 0:
                result = 0;
                break;
            case 2:
                result = 1;
                break;
            case 4:
                result = 4;
                break;
            default:
                result = -1;
        }
        return result;
    }

  public static int test(int);
    Code:
       0: iload_0
       1: tableswitch   { // 0 to 4
                     0: 36
                     1: 51
                     2: 41
                     3: 51
                     4: 46
               default: 51
          }
      36: iconst_0
      37: istore_1
      38: goto          53
      41: iconst_1
      42: istore_1
      43: goto          53
      46: iconst_4
      47: istore_1
      48: goto          53
      51: iconst_m1
      52: istore_1
      53: iload_1
      54: ireturn

兩種字節碼，最大的區別是執行了不同的指令：lookupswitch和tableswitch。

兩種switch區別

• tableswitch使用了一個數組，通過下標可以直接定位到要跳轉的行。但是在生成字節碼時，有的行可能在源碼中並不存在。通過這種方式可以獲得O(1)的時間復雜度。
• lookupswitch維護了一個key-value的關系，通過逐個比較索引來查找匹配的待跳轉的行數。而查找最好的性能是O(log n)，如二分查找。
  可見，通過用冗余的機器碼，tableswitch換取了更好的性能。

但是，在分支比較少的情況下，O(log n)其實並不大。n=2時，log n 約為2.8；即使n=100, log n 約為 6.6，與1仍未達到1個數量級的差距。

何時生成tableswitch？何時生成lookupswitch？

在JDK1.8環境下，通過檢索langtools這個包，可以在langtools/src/share/classes/com/sun/tools/javac/jvm/Gen.java看到以下代碼：

long table_space_cost = 4 + ((long) hi - lo + 1); // words
long table_time_cost = 3; // comparisons
long lookup_space_cost = 3 + 2 * (long) nlabels;
long lookup_time_cost = nlabels;
int opcode =
     nlabels > 0 && table_space_cost + 3 * table_time_cost <= lookup_space_cost + 3 * lookup_time_cost
                ?
                tableswitch : lookupswitch;

這段代碼的上下文：

• hi和lo分別代表值的上下限，是通過遍歷switch...case...每個分支獲取的。
• nlabels表示switch...case...的分支個數

可以看出，決策的條件綜合考慮了時間復雜度(table_time_cost/lookup_time_cost)和空間復雜度(table_space_cost/lookup_space_cost)，並且時間復雜度的權重是空間復雜度的3倍。

存疑點：

• 各種幻數沒有解釋取值的原因，比如4、3，應該和具體細節實現有關。
• lookupswitch的時間復雜度使用的是nlabels而沒有取log n。此處可以看做是近似計算。

switch...case...優於if...else...嗎？

一般來說，更多的限制能帶來更好的性能。
從上文可以看出，無論是tableswitch還是lookupswitch，都有對隨機查找的優化，而if...else...是沒有的，可以看下面的源碼和字節碼。

    public static int test2(int i) {

        int result;
        if(i == 0) {
            result = 0;
        } else if(i == 1) {
            result = 1;
        } else if(i == 4) {
            result = 4;
        } else {
            result = -1;
        }
        return result;
    }

  public static int test2(int);
    Code:
       0: iload_0
       1: ifne          9
       4: iconst_0
       5: istore_1
       6: goto          31
       9: iload_0
      10: iconst_1
      11: if_icmpne     19
      14: iconst_1
      15: istore_1
      16: goto          31
      19: iload_0
      20: iconst_4
      21: if_icmpne     29
      24: iconst_4
      25: istore_1
      26: goto          31
      29: iconst_m1
      30: istore_1
      31: iload_1
      32: ireturn

字符串常量的case表達式及字節碼

舉例如下，這段源碼有兩個特點：

1. case "ghi"分支里是沒有賦值代碼
2. case "test"分支和case "test2"分支相同

    public static int testString(String str) {

        int result = -4;
        switch (str) {
            case "abc":
                result = 0;
                break;
            case "def":
                result = 1;
                break;
            case "ghi":
                break;
            case "test":
            case "test2":
                result = 1;
                break;
            default:
                result = -1;
        }
        return result;
    }

對應字節碼

  public static int testString(java.lang.String);
    Code:
       0: bipush        -4
       2: istore_1
       3: aload_0
       4: astore_2
       5: iconst_m1
       6: istore_3
       7: aload_2
       8: invokevirtual #2                  // Method java/lang/String.hashCode:()I
      11: lookupswitch  { // 5
                 96354: 60
                 99333: 74
                102312: 88
               3556498: 102
             110251488: 116
               default: 127
          }
      60: aload_2
      61: ldc           #3                  // String abc
      63: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
      66: ifeq          127
      69: iconst_0
      70: istore_3
      71: goto          127
      74: aload_2
      75: ldc           #5                  // String def
      77: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
      80: ifeq          127
      83: iconst_1
      84: istore_3
      85: goto          127
      88: aload_2
      89: ldc           #6                  // String ghi
      91: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
      94: ifeq          127
      97: iconst_2
      98: istore_3
      99: goto          127
     102: aload_2
     103: ldc           #7                  // String test
     105: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
     108: ifeq          127
     111: iconst_3
     112: istore_3
     113: goto          127
     116: aload_2
     117: ldc           #8                  // String test2
     119: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
     122: ifeq          127
     125: iconst_4
     126: istore_3
     127: iload_3
     128: tableswitch   { // 0 to 4
                     0: 164
                     1: 169
                     2: 174
                     3: 177
                     4: 177
               default: 182
          }
     164: iconst_0
     165: istore_1
     166: goto          184
     169: iconst_1
     170: istore_1
     171: goto          184
     174: goto          184
     177: iconst_1
     178: istore_1
     179: goto          184
     182: iconst_m1
     183: istore_1
     184: iload_1
     185: ireturn

可以看到與整型常量的不同：

1. String常量判等，先計算hashCode，在lookupswitch分支中再比較是否真正相等。這也是不支持null的原因，此時hashCode無法計算。
2. lookupswitch分支中，會給每個分支分配一個新下標值，作為后面的tableswitch的索引。源碼中的分支語句統一在tableswitch中對應分支執行。

為什么要再生成一段tableswitch？從字節碼來看，兩個平行的分支（"test"和"test2"），雖然沒有在tableswitch中用同一個數組下標，但是使用了同一個跳轉行177，在這種情況下減少了字節碼冗余。

枚舉的case表達式及字節碼

樣例代碼如下

    public static int testEnum(StatusEnum statusEnum) {

        int result;
        switch (statusEnum) {
            case INIT:
                result = 0;
                break;
            case FINISH:
                result = 1;
                break;
            default:
                result = -1;
        }
        return result;
    }

對應字節碼

  public static int testEnum(com.example.StatusEnum);
    Code:
       0: getstatic     #9                  // Field com/example/SwitchTest$1.$SwitchMap$com$example$core$service$domain$enums$StatusEnum:[I
       3: aload_0
       4: invokevirtual #10                 // Method com/example/core/service/domain/enums/StatusEnum.ordinal:()I
       7: iaload
       8: lookupswitch  { // 2
                     1: 36
                     2: 41
               default: 46
          }
      36: iconst_0
      37: istore_1
      38: goto          48
      41: iconst_1
      42: istore_1
      43: goto          48
      46: iconst_m1
      47: istore_1
      48: iload_1
      49: ireturn

可以看到，使用了枚舉的ordinal方法確定序號。

其他

通過查看字節碼，可以發現源碼的break關鍵字，對應的是字節碼goto到具體行的語句。 如果不用break，那么對應的字節碼就會“滑落”到下一行語句，繼續執行。

附1——idea查看字節碼方法

Mac下preference->Tools->External Tools，點擊+，按如下頁面配置即可。

Windows下需要將上圖填入的javap改為javap.exe。

注意：每次查看字節碼前，要確保對應類被重新編譯，才能看到最新版。

附2——JDK7或8下，switch...case...使用字符串常量編譯報錯解決方式

這種情況的真實原因是，JDK設置不一致，IDE沒有完全使用預期的編譯器版本。
在IDEA里可以這樣解決：
Project Settings -> Project 設置項目語言
如果仍未解決，檢查
File -> Project Structure -> Modules, 查看所有模塊是否都是預期的等級。
還有一處也可以看下File -> Settings -> Compiler -> Java Compiler. 這里可以設置項目及模塊的編譯器版本。

備注

文中所有log n均為以2為底n的對數。
本文的寫作契機是參加公司的XX安全學習，提到了switch...case...和if...else...的性能有差異，因此花了一天研究了一番。

參考文檔

通過字節碼分析java中的switch語句
Difference between JVM's LookupSwitch and TableSwitch?
IntelliJ switch statement using Strings error: use -source 7
Intellij idea快速查看Java類字節碼