如何在 switch 语句中评估案例 (C)

Question

我正在学习 C，并且我已经熟悉基本的编程概念 我对 switch 语句有疑问 在下面的代码中为ex

for(int i =0 ; i<20; i++){

        switch(i){
        case 0: i+=5; /*label 1*/
        case 1: i+=2; /*label 2*/
        case 5: i+=5; /*label 3*/
        default : i+=4; /*label 4*/
        }
        printf("%d\t",i);
    }

输出是 16 21

也就是说先执行label 1处的case，然后由于没有break，label 2, 3, 4也会被执行，问题是如果label 1被执行那么i的值会更新为5，是否其他情况首先检查条件（如果 i =1 或 5 ）然后执行，或者它只是执行任何事情而不检查？

Answer 1

这是一个非常好的问题，实际上揭示了 C 和 C++ 中 switch 语句的内部结构，有时会与级联 if-else 语句混淆。

C/C++ 中的switch 语句的工作原理如下：

• (1) 首先，它评估在switch 语句中作为条件呈现的表达式
• (2) 将结果存储在堆栈中或使用通用寄存器
• (3) 使用该结果，它会尝试通过使用跳转表（当可以构建一个跳转表时）以尽可能少的比较跳转到相应的 case 语句。

由于 (1) 和 (2)，您创建的 switch 的行为与您预期的不同，并且它不会在执行 case 语句期间重新评估初始表达式。

与级联 if-else 语句相比，case 语句本质上是按顺序编译的指令块，由 (3) 中提到的跳转表引用。一旦执行到达case 语句，如果没有遇到break，它将自动级联到下一个case 语句。 break 实际上指示编译器跳过 switch 语句并停止执行case 语句。

查看您的 switch 语句的注释反汇编，以便更好地了解幕后发生的事情：

   0x56555585 <+56>:    mov    -0x10(%ebp),%eax       ;<--- store "i" (the switch condition) into EAX
   0x56555588 <+59>:    cmp    $0x1,%eax              ;<--- check "case 1"
   0x5655558b <+62>:    je     0x5655559a <main+77>   ;<--- jump if equal to "case 1"
   0x5655558d <+64>:    cmp    $0x5,%eax              ;<--- check "case 5"
   0x56555590 <+67>:    je     0x5655559e <main+81>   ;<--- jump if equal to "case 5" 
   0x56555592 <+69>:    test   %eax,%eax              ;<--- check "case 0"
   0x56555594 <+71>:    jne    0x565555a2 <main+85>   ;<--- jump if not equal to "default"
   0x56555596 <+73>:    addl   $0x5,-0x10(%ebp)       ;<--- case 0
   0x5655559a <+77>:    addl   $0x2,-0x10(%ebp)       ;<--- case 1
   0x5655559e <+81>:    addl   $0x5,-0x10(%ebp)       ;<--- case 5
   0x565555a2 <+85>:    addl   $0x4,-0x10(%ebp)       ;<--- default

注意：这是使用-m32 -O0 gcc 选项构建的，以使用更易于阅读的 32 位代码，并禁用优化。

您可以清楚地看到，在进行跳转后（对任何 case 语句），没有进一步重新评估 i (-0x10(%ebp))。另外，当 case 执行时，如果没有使用break，它会自动级联到下一个。

现在，您可能会问自己为什么会出现这种奇怪的行为，答案在 (3)：以尽可能少的比较跳到相应的 case 语句。

当case 语句的数量真正增加时，特别是当用于case 语句的值之间的分布是恒定的时，C/C++ 中的switch 语句显示了它们的真正实力。

例如，假设我们有一个大的 switch 语句，其中包含 100 个 case 值，1 在 case 值之间具有恒定分布，并且 switch 表达式 (i) 的计算结果为 100 (最后case 在switch):

switch (i) {
 case 1: /*code for case 1*/ break;
 case 2: /*code for case 2*/ break;
 [...]
 case 99: /*code for case 99*/ break;
 case 100: /*code for case 100*/ break;
}

如果您使用级联 if-else 语句，您将获得 100 次比较，但此 switch 只需使用几条指令即可获得相同的结果，顺序如下：

• 首先：编译器将索引跳转表中的所有case 语句
• second：它将评估switch中的条件并存储结果（即：获取i）
• 第三个：根据结果计算跳转表中对应的索引（即：将i减1，第一个case语句，结果索引为99）
• 第四，不做任何操作直接跳转到对应的case

如果您的案例值的分布范围为2，则同样适用：

switch (i) {
 case 1: /*code for case 1*/ break;
 case 3: /*code for case 3*/ break;
 [...]
 case 99: /*code for case 99*/ break;
 case 101: /*code for case 101*/ break;
}

您的编译器也应该检测到这种传播，并且在减去第一个 case 值（即 1）后将除以 2 以获得跳转表的相同索引。

switch 语句的这种复杂的内部工作使其成为 C/C++ 中非常强大的工具，当您想要基于只能在运行时评估的值分支代码时，并且该值属于一个均匀分布的集合，或者至少是均匀分布的一组值。

当case 值没有均匀分布时，switch 的效率会降低，并且它开始执行类似于我们使用级联 if-else 代替的情况。

Answer 2

在 switch 语句的标记部分中没有 break 语句

for(int i =0 ; i<20; i++){

    switch(i){
    case 0: i+=5; /*label 1*/
    case 1: i+=2; /*label 2*/
    case 5: i+=5; /*label 3*/
    default : i+=4; /*label 4*/
    }
    printf("%d\t",i);
} 

所以当i 等于0（在循环的第一次迭代中）时，所有这些语句

    case 0: i+=5; /*label 1*/
    case 1: i+=2; /*label 2*/
    case 5: i+=5; /*label 3*/
    default : i+=4; /*label 4*/

在将控制权传递给 case 标签0: 后顺序执行，i 变为等于16。

你可以想象循环的第一次迭代中的 switch 语句如下方式

goto Label0;

Label0: i+=5; /*label 1*/
Label1: i+=2; /*label 2*/
Label5: i+=5; /*label 3*/
Labeldefault : i+=4; /*label 4*/

标签只是标签。他们不执行任何代码。在对 switch 语句中的表达式求值后

switch(i)

控制权交给对应的带标签语句，如果没有跳转语句，则依次执行后面的所有语句。

然后在 for 循环的第三个表达式中，i 递增并等于 17。

因此，在 for 循环的下一次迭代中，控制立即传递给标签 default 并且 i 变为等于 21。