switch语句的机器级表示

 switch语句

• switch语句有几种特别的使用情况：

1. 可以联系多个选项。如5、6的处理方式相同
2. 可以实现落下，即实现语句块的穿越。如2没有break语句，因而执行完2会继续执行3

• 在C语言中，switch选项必须为整数类型，不支持其他类型。
• 本质上说，switch的所有功能都可被条件分支if-else语句所表达，那么既然有等价表示方式，为何要定义switch语法呢？

1. 首先，要从switch语句机器指令的实现方式来讲。switch语句通过跳转表这种数据结构实现机器指令。跳转表是一个数组，其中每一个元素都是地址，指向对应case语句块的起始地址。switch语句工作时，根据x变量值，到跳转表中查到对应的元素，即case语句块的目标地址，然后执行跳转语句，跳转到真正目标入口的起始位置上。
2. 这种实现方式，致使switch语句相比if-else有很大优势，因为switch语句不管跳转到哪个语句块，花费的时间是固定的，即时间复杂度为常数类型。而if-else如执行第n个语句块时，必须先做前n个语句块的判断，时间复杂度不固定。所以说，switch语句利用跳转表，将时间复杂度转换为了常数
3. 这种实现方式，也决定了变量必须为整数。因为只有整数才能对数组下标进行查找操作

switch的机器指令实现

进入switch语句前，在汇编级别上做的准备工作

• 首先传入用于判断的变量X，存在rdi寄存器中
• 用ja指令排除掉小于0和大于6的数。ja指令用于无符号数大于的判断，尽管x为有符号数，也会被当做无符号数判断，若x为负数，会被ja当做最高位为1的正数，故而用ja指令可排除掉小于0和大于6的数
• jmp间接跳转

1. 何为间接跳转？跳转语句有两种分类方式，一种分为无条件跳转和有条件跳转；另一种则根据跳转目标，分为直接跳转和间接跳转。跳转目标是确定位置为直接跳转；跳转目标需要基于某个变量计算出来的，为间接跳转
2. jmp间接跳转指令的操作数是一个寻址方式的四元组。其中：

• L4是跳转表的起始地址。跳转表是编译器编译时生成的一组固定只读数据，一共有7个。编译器在内存中分配出一个不可被修改的区域，其起始地址标号为L4，每个数据宽度为8字节，对应数据值称为标签，标签实质为一个地址，标签地址就是跳转代码块的地址。
• rdi是跳转表中要查找数据的下标，8代表每个元素大小，*表示把地址中数据取出来（上图中为L3），作为跳转语句的目标地址
• 由于跳转表只有7个元素，所以switch最多只支持0到6范围的变化，小于0或大于6会调到默认位置，即default(也解释了ja语句的作用)

switch语句实例分析

• 下图为跳转表与case语句块的对应关系
• 对2、3落下的理解：

把w赋值为1，是在进入switch语句块时进行，因为并非所有语句块都需对w赋值操作（如2），如果在switch语句块前就对w赋值的话，会浪费指令，导致性能下降。而先检查哪个语句块需要赋值，再按需赋值，尽管会稍稍增加代码量，但大大加快效率

对switch的进一步探讨

• 查找表（跳转表）实现switch语句有性能提升，但本身仍具有一定局限性。当case语句的值较大时，若仍然以0为起始地址，查找表规模会很大，且大部分地址实际上都指向default，这些地址的存储毫无意义。
• 两种解决方法：

1. 当case语句取址密集时，可认为是从0地址的一个整体偏移。此时只需要编译器减去一个固定偏移量，就可使case语句的值处于较小区间内。
2. 当case数据范围很大，且在数轴上不密集时，就不适宜用查找表方式实现。此时我们使用二分搜索查找对应语句块。

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