为什么在 c/c++ 中，开关的优化方式与链式 if else 的方式不同？

Question

square 的以下实现会产生一系列 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;
    }
}

下面会生成一个数据表供返回：

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top的优化成bottom的？

拆机参考：https://godbolt.org/z/UP_igi

编辑：有趣的是，MSVC 为 switch case 生成了一个跳转表而不是一个数据表。令人惊讶的是，clang 将它们优化为相同的结果。

Answer 1

switch-case 的生成代码通常使用跳转表。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。

现在来到if-else，情况正好相反。 switch-case 以恒定时间执行，而与分支数量无关，if-else 针对较少数量的分支进行了优化。在这里，您会期望编译器基本上按照您编写它们的顺序生成一系列比较。

因此，如果我使用了 if-else，因为我希望大多数对 square() 的调用是针对 0 或 1 而很少针对其他值，那么将其“优化”到表查找实际上可能会导致我代码运行速度比我预期的要慢，这违背了我使用if 而不是switch 的目的。因此，尽管值得商榷，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 cmets 中分享了一个链接，其中 clang 执行 this optimization 并为 if-else 生成基于查找表的代码。当我们使用 clang 将案例数量减少到两个（和一个默认值）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， switches over to compares and moves 而不是查找表方法，适用于两者。这意味着即使是喜欢 switch 的 clang 也知道当事例数量较少时，“if”模式更优化！

总之，if-else 的一系列比较和switch-case 的跳转表是编译器倾向于遵循的标准模式，开发人员在编写代码时也倾向于期望。但是，对于某些特殊情况，一些编译器可能会选择在他们认为提供更好优化的地方打破这种模式。其他编译器可能只是选择坚持这种模式，即使显然不是最佳的，相信开发人员知道他想要什么。两者都是有效的方法，各有优缺点。

Answer 2

一个可能的理由是，如果num 的值较低，例如始终为0，则为第一个生成的代码可能会更快。为 switch 生成的代码对所有值都花费相同的时间。

比较最佳案例，根据this table。表格说明见this answer。

如果num == 0，对于“如果”，你有 xor、test、je（带跳转）、ret。延迟：1 + 1 + 跳跃。但是，xor 和 test 是独立的，因此实际执行速度会快于 1 + 1 个周期。

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

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