深入理解Java的switch...case...语句
switch…case…中条件表达式的演进
- 最早时，只支持int、char、byte、short这样的整型的基本类型或对应的包装类型Integer、Character、Byte、Short常量
- JDK1.5开始支持enum，原理是给枚举值进行了内部的编号，进行编号和枚举值的映射
- 1.7开始支持String，但不允许为null。（原因可以看后文）
case表达式仅限字面值常量吗？
case表达式既可以用字面值常量，也可以用final修饰且初始化过的变量。例如以下代码可正常编译并执行：
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;
}但是没有初始化就不行，比如下面的代码就无法通过编译
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
下面两种几乎一样的代码，会编译出大相径庭的字节码。
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;
}对应字节码
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: ireturntableswitch
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两种字节码，最大的区别是执行了不同的指令：lookupswitch和tableswitch。
两种switch区别
- tableswitch使用了一个数组，通过下标可以直接定位到要跳转的行。但是在生成字节码时，有的行可能在源码中并不存在。通过这种方式可以获得O(1)的时间复杂度。
- lookupswitch维护了一个key-value的关系，通过逐个比较索引来查找匹配的待跳转的行数。而查找最好的性能是O(log n)，如二分查找。
可见，通过用冗余的机器码，tableswitch换取了更好的性能。
但是，在分支比较少的情况下，O(log n)其实并不大。n=2时，log n 约为2.8；即使n=100, log n 约为 6.6，与1仍未达到1个数量级的差距。
何时生成tableswitch？何时生成lookupswitch？
在JDK1.8环境下，通过检索langtools这个包，可以在langtools/src/share/classes/com/sun/tools/javac/jvm/Gen.java看到以下代码：
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;这段代码的上下文：
- hi和lo分别代表值的上下限，是通过遍历switch…case…每个分支获取的。
- nlabels表示switch…case…的分支个数
可以看出，决策的条件综合考虑了时间复杂度(table_time_cost/lookup_time_cost)和空间复杂度(table_space_cost/lookup_space_cost)，并且时间复杂度的权重是空间复杂度的3倍。
存疑点：
- 各种幻数没有解释取值的原因，比如4、3，应该和具体细节实现有关。
- lookupswitch的时间复杂度使用的是nlabels而没有取log n。此处可以看做是近似计算。
switch…case…优于if…else…吗？
一般来说，更多的限制能带来更好的性能。
从上文可以看出，无论是tableswitch还是lookupswitch，都有对随机查找的优化，而if…else…是没有的，可以看下面的源码和字节码。
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表达式及字节码
举例如下，这段源码有两个特点：
- case “ghi”分支里是没有赋值代码
- 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;
}对应字节码
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可以看到与整型常量的不同：
- String常量判等，先计算hashCode，在lookupswitch分支中再比较是否真正相等。这也是不支持null的原因，此时hashCode无法计算。
- lookupswitch分支中，会给每个分支分配一个新下标值，作为后面的tableswitch的索引。源码中的分支语句统一在tableswitch中对应分支执行。
为什么要再生成一段tableswitch？从字节码来看，两个平行的分支（”test”和”test2″），虽然没有在tableswitch中用同一个数组下标，但是使用了同一个跳转行177，在这种情况下减少了字节码冗余。
枚举的case表达式及字节码
样例代码如下
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;
}对应字节码
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，使用了枚举的ordinal方法确定序号。
其他
通过查看字节码，可以发现源码的break关键字，对应的是字节码goto到具体行的语句。 如果不用break，那么对应的字节码就会“滑落”到下一行语句，继续执行。
附1——idea查看字节码方法
Mac下preference->Tools->External Tools，点击+，按如下页面配置即可。
Windows下需要将上图填入的javap改为javap.exe。
注意：每次查看字节码前，要确保对应类被重新编译，才能看到最新版。
附2——JDK7或8下，switch…case…使用字符串常量编译报错解决方式
这种情况的真实原因是，JDK设置不一致，IDE没有完全使用预期的编译器版本。
在IDEA里可以这样解决：
Project Settings -> Project 设置项目语言
如果仍未解决，检查
File -> Project Structure -> Modules, 查看所有模块是否都是预期的等级。
还有一处也可以看下File -> Settings -> Compiler -> Java Compiler. 这里可以设置项目及模块的编译器版本。
备注
文中所有log n均为以2为底n的对数。
本文的写作契机是参加公司的XX安全学习，提到了switch…case…和if…else…的性能有差异，因此花了一天研究了一番。
参考文档
通过字节码分析java中的switch语句
Difference between JVM’s LookupSwitch and TableSwitch?
IntelliJ switch statement using Strings error: use -source 7
Intellij idea快速查看Java类字节码
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