为什么 switch 没有像 c/c++ 中的 if else 链式优化那样进行优化？

Question

下面的 square 实现会产生一系列 cmp/je 语句，就像我期望的链式 if 语句一样：

int square(int num) {
    if (num == 0){
        return 0;
    } else if (num == 1){
        return 1;
    } else if (num == 2){
        return 4;
    } else if (num == 3){
        return 9;
    } else if (num == 4){
        return 16;
    } else if (num == 5){
        return 25;
    } else if (num == 6){
        return 36;
    } else if (num == 7){
        return 49;
    } else {
        return num * num;
    }
}

下面生成一个用于返回的数据表：

int square_2(int num) {
    switch (num){
        case 0: return 0;
        case 1: return 1;
        case 2: return 4;
        case 3: return 9;
        case 4: return 16;
        case 5: return 25;
        case 6: return 36;
        case 7: return 49;
        default: return num * num;
    }
}

为什么gcc无法将顶部的优化为底部的呢？

拆解参考： https: //godbolt.org/z/UP_igi

编辑：有趣的是，MSVC 为 switch case 生成一个跳转表而不是数据表。令人惊讶的是，clang 将它们优化到相同的结果。

Answer 1

生成的代码switch-case通常使用跳转表。在这种情况下，通过查找表直接返回似乎是一种优化，利用了这里每个案例都涉及返回的事实。尽管该标准不保证这种效果，但如果编译器生成一系列比较而不是传统 switch-case 的跳转表，我会感到惊讶。

现在来看if-else，情况恰恰相反。虽然switch-case无论分支数量如何，都会以恒定时间执行，if-else针对较少数量的分支进行了优化。在这里，您希望编译器基本上按照您编写的顺序生成一系列比较。

因此，如果我使用它是if-else因为我希望大多数调用square()都是针对0or1而很少针对其他值，那么将其“优化”为表查找实际上可能会导致我的代码运行速度比我预期的慢，从而违背了我if使用的switch. 因此，尽管存在争议，但我认为 GCC 正在做正确的事情，而 clang 在优化方面过于激进。

有人在评论中分享了一个链接，其中 clang 执行此优化并生成基于查找表的代码if-else。当我们使用 clang 将案例数量减少到只有两个（和默认值）时，会发生一些值得注意的事情。它再次为 if 和 switch 生成相同的代码，但这一次， 两者都切换为比较和移动，而不是查找表方法。这意味着即使是喜欢 switch 的 clang 也知道，当案例数量较少时，“if”模式更为最佳！

总之，比较序列if-else和跳转表switch-case是编译器倾向于遵循的标准模式，也是开发人员在编写代码时倾向于期望的标准模式。然而，对于某些特殊情况，一些编译器可能会选择打破这种模式，他们认为这种模式可以提供更好的优化。其他编译器可能只是选择坚持该模式，即使显然不是最理想的，相信开发人员知道他想要什么。两者都是有效的方法，各有优点和缺点。

Answer 2

一个可能的理由是，如果 的值num更可能较低（例如始终为 0），则第一个生成的代码可能会更快。生成的 switch 代码对于所有值都花费相同的时间。

根据此表比较最佳情况。有关该表的解释，请参阅此答案。

如果num == 0，对于“如果”，你有 xor、test、je（带有跳转）、ret。延迟：1+1+跳跃。然而，xor 和 test 是独立的，因此实际执行速度会比 1 + 1 个周期更快。

如果num < 7，对于“switch”，您有 mov、cmp、ja（无跳转）、mov、ret。延迟：2 + 1 + 无跳跃 + 2。

不导致跳转的跳转指令比导致跳转的跳转指令更快。但是，该表没有定义跳转的延迟，因此我不清楚哪一个更好。有可能最后一个总是更好，而 GCC 根本无法优化它。