从汇编代码的角度观察switch与if...else，乘除与移位的差别

Switch与if…else

有以下两个函数，y值根据x值进行加法运算，功能相同，SumSwitch()是switch版本，SumIfElse()是if else版本：

 public int SumSwitch(int x,int y){switch(x){case 1:y+=1;break;case 2:y+=2;break;case 3:y+=3;break;case 4:y+=4;break;case 5:y+=5;break;case 6:y+=6;break;case 7:y+=7;break;case 8:y+=8;break;case 9:y+=9;break;default:y=0;break;}return y;}

 public int SumIfElse(int x,int y){if(x==1){y+=3;}else if(x==2){y+=4;}else if(x==3){y+=5;}else if(x==4){y+=6;}else if(x==5){y+=7;}else if(x==6){y+=8;}else if(x==7){y+=9;}else if(x==8){y+=10;}else if(x==9){y+=11;}else{y=0;}return y;}
}

用Monodevelop的AOT编译器编译后的汇编代码如下：

SumSwitch:

_AlgorithmTest_SumSwitch_int_int:
00000b40    pushl   %ebp
00000b41    movl    %esp, %ebp
00000b43    pushl   %ebx
00000b44    pushl   %edi
00000b45    pushl   %esi
00000b46    subl    $0xc, %esp
00000b49    movl    0xc(%ebp), %esi
00000b4c    movl    0x10(%ebp), %edi
00000b4f    calll   0xb54
00000b54    popl    %ebx
00000b55    addl    $0x4ac, %ebx            ## imm = 0x4AC
00000b5b    decl    %esi
00000b5c    cmpl    $0x9, %esi       //比较x与9,如果x大于等于9(x在上一行有减1)
00000b5f    jae 0xb9d                //则跳转到b9d行，既是源码的default处。
00000b61    movl    %esi, %ecx
00000b63    shll    $0x2, %ecx       //计算case的偏移量
00000b66    movl    0x14(%ebx), %eax //跳转表取址
00000b6c    addl    %ecx, %eax       //通过case的偏移量访存取接下来代码的绝对地址
00000b6e    movl    (%eax), %eax     //跳转表取址
00000b70    jmpl    *%eax            //跳转表跳转
00000b72    incl    %edi             //case1：+1
00000b73    jmp 0xb9f                //跳到return处
00000b75    addl    $0x2, %edi       //case2：+2
00000b78    jmp 0xb9f                //跳到return处
00000b7a    addl    $0x3, %edi       //下同
00000b7d    jmp 0xb9f
00000b7f    addl    $0x4, %edi
00000b82    jmp 0xb9f
00000b84    addl    $0x5, %edi
00000b87    jmp 0xb9f
00000b89    addl    $0x6, %edi
00000b8c    jmp 0xb9f
00000b8e    addl    $0x7, %edi
00000b91    jmp 0xb9f
00000b93    addl    $0x8, %edi
00000b96    jmp 0xb9f
00000b98    addl    $0x9, %edi
00000b9b    jmp 0xb9f
00000b9d    xorl    %edi, %edi
00000b9f    movl    %edi, %eax      //跳转表出口
00000ba1    leal    -0xc(%ebp), %esp
00000ba4    leal    -0xc(%ebp), %esp
00000ba7    popl    %esi
00000ba8    popl    %edi
00000ba9    popl    %ebx
00000baa    leave
00000bab    retl
00000bac    nopl    (%eax)

SumIfElse:

_AlgorithmTest_SumIfElse_int_int:
00000bb0    pushl   %ebp
00000bb1    movl    %esp, %ebp
00000bb3    pushl   %ebx
00000bb4    pushl   %edi
00000bb5    pushl   %esi
00000bb6    subl    $0xc, %esp
00000bb9    movl    0xc(%ebp), %esi
00000bbc    movl    0x10(%ebp), %edi
00000bbf    calll   0xbc4
00000bc4    popl    %ebx
00000bc5    addl    $0x43c, %ebx            ## imm = 0x43C
00000bcb    cmpl    $0x1, %esi  //比较x与1
00000bce    jne 0xbd8           //如果不等于1，跳转到行bd8
00000bd0    addl    $0x3, %edi  //如果等于1，则加3
00000bd3    jmp 0xc2f           //赋值后跳转到函数c2f行，跳出if else区域。
00000bd8    cmpl    $0x2, %esi  //比较x与2
00000bdb    jne 0xbe5           //以下同上
00000bdd    addl    $0x4, %edi
00000be0    jmp 0xc2f
00000be5    cmpl    $0x3, %esi
00000be8    jne 0xbf2
00000bea    addl    $0x5, %edi
00000bed    jmp 0xc2f
00000bf2    cmpl    $0x4, %esi
00000bf5    jne 0xbfc
00000bf7    addl    $0x6, %edi
00000bfa    jmp 0xc2f
00000bfc    cmpl    $0x5, %esi
00000bff    jne 0xc06
00000c01    addl    $0x7, %edi
00000c04    jmp 0xc2f
00000c06    cmpl    $0x6, %esi
00000c09    jne 0xc10
00000c0b    addl    $0x8, %edi
00000c0e    jmp 0xc2f
00000c10    cmpl    $0x7, %esi
00000c13    jne 0xc1a
00000c15    addl    $0x9, %edi
00000c18    jmp 0xc2f
00000c1a    cmpl    $0x8, %esi
00000c1d    jne 0xc24
00000c1f    addl    $0xa, %edi
00000c22    jmp 0xc2f
00000c24    xorl    %eax, %eax
00000c26    addl    $0xb, %edi
00000c29    cmpl    $0x9, %esi  //x与9比较，
00000c2c    cmovnel %eax, %edi  //用条件传送决定加11或赋值0
00000c2f    movl    %edi, %eax
00000c31    leal    -0xc(%ebp), %esp
00000c34    leal    -0xc(%ebp), %esp
00000c37    popl    %esi
00000c38    popl    %edi
00000c39    popl    %ebx
00000c3a    leave
00000c3b    retl
00000c3c    nopl    (%eax)

SumIfElse的汇编代码与源码基本相同，既是将x依次与1-9比较，直到找出相等的值(见注释）。SumSwitch与SumIfElse的版本相比主要是优化在两个地方。
第一是汇编代码会先判断x是否属于default(既不在1-9的范围呢）：

00000b5c cmpl    $0x9, %esi       //比较x与9,如果x大于等于9(x在上一行有减1)
00000b5f    jae 0xb9d                //则跳转到b9d行，既是源码的default处。

而SumIfElse要将x与1-9全比对完毕才会决定是否要选择else的case。由于参数x的可能范围很大，SumSwitch先判定可能性大的case是合理的。

第二是跳转表，根据x的值直接跳转到对应的case：

00000b70 jmpl    *%eax

在这行代码之前编译器通过计算将跳转表的基址与x*2的值相加并存到 %eax中，然后直接跳转到此地址。

乘除与移位

以下是一个将全局变量i乘以2并返回的函数，分别用乘法与左移实现：

 public int Sum1(){int i2=i*2;return i2;}public int Sum2(){int i22=i<<1;return i22;}

_AlgorithmTest_Sum1:
00000a80    pushl   %ebp
00000a81    movl    %esp, %ebp
00000a83    pushl   %ebx
00000a84    subl    $0x4, %esp
00000a87    calll   0xa8c
00000a8c    popl    %ebx
00000a8d    addl    $0x574, %ebx            ## imm = 0x574
00000a93    movl    0x8(%ebp), %eax
00000a96    movl    0x8(%eax), %eax
00000a99    shll    %eax                //编译器将乘法换成了计算左移
00000a9b    leal    -0x4(%ebp), %esp
00000a9e    leal    -0x4(%ebp), %esp
00000aa1    popl    %ebx
00000aa2    leave
00000aa3    retl
00000aa4    nopw    %cs:(%eax,%eax)_AlgorithmTest_Sum2:
00000ab0    pushl   %ebp
00000ab1    movl    %esp, %ebp
00000ab3    pushl   %ebx
00000ab4    subl    $0x4, %esp
00000ab7    calll   0xabc
00000abc    popl    %ebx
00000abd    addl    $0x544, %ebx            ## imm = 0x544
00000ac3    movl    0x8(%ebp), %eax
00000ac6    movl    0x8(%eax), %eax
00000ac9    shll    %eax                //计算左移
00000acb    leal    -0x4(%ebp), %esp
00000ace    leal    -0x4(%ebp), %esp
00000ad1    popl    %ebx
00000ad2    leave
00000ad3    retl
00000ad4    nopw    %cs:(%eax,%eax)

两段汇编代码的内容完全一样，目前的编译器基本上默认会将简单的乘法转为左移（注释处）。

以下是一个将全局变量i除以2并返回的函数，分别用除法与右移实现：

 public int Sum3(){int i3=i/2;return i3;}public int Sum4(){int i4=i>>1;return i4;}

_AlgorithmTest_Sum3:
00000ae0    pushl   %ebp
00000ae1    movl    %esp, %ebp
00000ae3    pushl   %ebx
00000ae4    subl    $0x4, %esp
00000ae7    calll   0xaec
00000aec    popl    %ebx
00000aed    addl    $0x514, %ebx            ## imm = 0x514
00000af3    movl    0x8(%ebp), %eax
00000af6    movl    0x8(%eax), %ecx
00000af9    movl    %ecx, %eax
00000afb    shrl    $0x1f, %eax     //逻辑右移31位,%eax变为全0或全1
00000afe    addl    %ecx, %eax      //相当于将%ecx的值移到%eax中
00000b00    sarl    %eax                //将除法变为计算右移
00000b02    leal    -0x4(%ebp), %esp
00000b05    leal    -0x4(%ebp), %esp
00000b08    popl    %ebx
00000b09    leave
00000b0a    retl
00000b0b    nopl    (%eax,%eax)_AlgorithmTest_Sum4:
00000b10    pushl   %ebp
00000b11    movl    %esp, %ebp
00000b13    pushl   %ebx
00000b14    subl    $0x4, %esp
00000b17    calll   0xb1c
00000b1c    popl    %ebx
00000b1d    addl    $0x4e4, %ebx            ## imm = 0x4E4
00000b23    movl    0x8(%ebp), %eax
00000b26    movl    0x8(%eax), %eax
00000b29    sarl    %eax                //计算右移
00000b2b    leal    -0x4(%ebp), %esp
00000b2e    leal    -0x4(%ebp), %esp
00000b31    popl    %ebx
00000b32    leave
00000b33    retl
00000b34    nopw    %cs:(%eax,%eax)

两个版本的汇编代码都使用了算术右移。

结论：在case很多的情况下，switch会先判断default，然后只用一次跳转即可完成整个判断过程，相对于if…else按固定顺序进行依次判断可省去很多指令。另外，编译器会将乘除自动优化为移位运算，所以在源码中选择乘除或位移的写法就没有区别了。

维护日志：
2020-2-3：review