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switch 的性能提升了 3 倍，我只用了这一招

yuyutoo 2024-12-22 21:45 13 浏览 0 评论

上一篇《if快还是switch快？解密switch背后的秘密》我们测试了 if 和 switch 的性能，得出了要尽量使用 switch 的结论，因为他的效率比 if 高很多，具体原因点击上文查看。

既然 switch 如此有魅力，那么有没有更好的方法，让 switch 变得更快一些呢？

答案是有的，不然本文就不会诞生了不是？

在上篇 if 和 switch 性能对比的文章中有读者问到：String 类型的 switch 性能是否也比 if 高？先说答案，String 类型的条件判断 switch 的性能依旧比 if 好。

口说无凭，先举个，测试代码如下：

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.infra.Blackhole;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime) // 测试完成时间
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@Warmup(iterations = 2, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 预热 2 轮，每次 1s
@Measurement(iterations = 5, time = 3, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 测试 5 轮，每次 3s
@Fork(1) // fork 1 个线程
@State(Scope.Thread) // 每个测试线程一个实例
public class SwitchOptimizeByStringTest {
    static String _STR = "Java中文社群";
    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        // 启动基准测试
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(SwitchOptimizeByStringTest.class.getSimpleName()) // 要导入的测试类
                .build();
        new Runner(opt).run(); // 执行测试
    }

    @Benchmark
    public void switchTest(Blackhole blackhole) {
        String s1;
        switch (_STR) {
            case "java":
                s1 = "java";
                break;
            case "mysql":
                s1 = "mysql";
                break;
            case "oracle":
                s1 = "oracle";
                break;
            case "redis":
                s1 = "redis";
                break;
            case "mq":
                s1 = "mq";
                break;
            case "kafka":
                s1 = "kafka";
                break;
            case "rabbitmq":
                s1 = "rabbitmq";
                break;
            default:
                s1 = "default";
                break;
        }
        // 为了避免 JIT 忽略未被使用的结果计算，可以使用 Blackhole#consume 来保证方法被正常执行
        blackhole.consume(s1);
    }

    @Benchmark
    public void ifTest(Blackhole blackhole) {
        String s1;
        if ("java".equals(_STR)) {
            s1 = "java";
        } else if ("mysql".equals(_STR)) {
            s1 = "mysql";
        } else if ("oracle".equals(_STR)) {
            s1 = "oracle";
        } else if ("redis".equals(_STR)) {
            s1 = "redis";
        } else if ("mq".equals(_STR)) {
            s1 = "mq";
        } else if ("kafka".equals(_STR)) {
            s1 = "kafka";
        } else if ("rabbitmq".equals(_STR)) {
            s1 = "rabbitmq";
        } else {
            s1 = "default";
        }
        // 为了避免 JIT 忽略未被使用的结果计算，可以使用 Blackhole#consume 来保证方法被正常执行
        blackhole.consume(s1);
    }
}

特殊说明：本文使用的是 Oracle 官方提供的性能测试工具 JMH（Java Microbenchmark Harness，JAVA 微基准测试套件）进行测试的。

以上代码测试的结果如下：


从 Score 列（平均完成时间）可以看出 switch 的性能依旧比 if 的性能要高。

备注：本文的测试环境为：JDK 1.8 / Mac mini (2018) / Idea 2020.1

switch 性能优化

我们知道在 JDK 1.7 之前 switch 是不支持 String 的，实际上 switch 只支持 int 类型。

在 JDK 1.7 中的 String 类型，其实在编译的时候会使用 hashCode 来作为 switch 的实际值，以上 switch 判断字符串的代码，编译为字节码实际结果如下：

public static void switchTest() {
    String var1 = _STR;
    byte var2 = -1;
    switch(var1.hashCode()) {
        case -1008861826:
            if (var1.equals("oracle")) {
                var2 = 2;
            }
            break;
        case -95168706:
            if (var1.equals("rabbitmq")) {
                var2 = 6;
            }
            break;
        case 3492:
            if (var1.equals("mq")) {
                var2 = 4;
            }
            break;
        case 3254818:
            if (var1.equals("java")) {
                var2 = 0;
            }
            break;
        case 101807910:
            if (var1.equals("kafka")) {
                var2 = 5;
            }
            break;
        case 104382626:
            if (var1.equals("mysql")) {
                var2 = 1;
            }
            break;
        case 108389755:
            if (var1.equals("redis")) {
                var2 = 3;
            }
    }
    // 忽略其他代码...
}

知道了 switch 实现的本质，那么优化就变得比较简单了。

从以上的字节码可以看出，如果要优化 switch 只需要把 String 类型变成 int 类型就可以了，这样就剩了每个 case 中进行 if 判断的性能消耗，最终的优化代码如下：

public void switchHashCodeTest() {
    String s1;
    switch (_STR.hashCode()) {
        case 3254818:
            s1 = "java";
            break;
        case 104382626:
            s1 = "mysql";
            break;
        case -1008861826:
            s1 = "oracle";
            break;
        case 108389755:
            s1 = "redis";
            break;
        case 3492:
            s1 = "mq";
            break;
        case 101807910:
            s1 = "kafka";
            break;
        case -95168706:
            s1 = "rabbitmq";
            break;
        default:
            s1 = "default";
            break;
    }
}

此时我们使用 JMH 进行实际的测试，测试代码如下：

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.infra.Blackhole;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime) // 测试完成时间
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@Warmup(iterations = 2, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 预热 2 轮，每次 1s
@Measurement(iterations = 5, time = 3, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 测试 5 轮，每次 3s
@Fork(1) // fork 1 个线程
@State(Scope.Thread) // 每个测试线程一个实例
public class SwitchOptimizeByStringTest {
    static String _STR = "Java中文社群";
    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        // 启动基准测试
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(SwitchOptimizeByStringTest.class.getSimpleName()) // 要导入的测试类
                .build();
        new Runner(opt).run(); // 执行测试
    }

    @Benchmark
    public void switchHashCodeTest(Blackhole blackhole) {
        String s1;
        switch (_STR.hashCode()) {
            case 3254818:
                s1 = "java";
                break;
            case 104382626:
                s1 = "mysql";
                break;
            case -1008861826:
                s1 = "oracle";
                break;
            case 108389755:
                s1 = "redis";
                break;
            case 3492:
                s1 = "mq";
                break;
            case 101807910:
                s1 = "kafka";
                break;
            case -95168706:
                s1 = "rabbitmq";
                break;
            default:
                s1 = "default";
                break;
        }
        // 为了避免 JIT 忽略未被使用的结果计算，可以使用 Blackhole#consume 来保证方法被正常执行
        blackhole.consume(s1);
    }

    @Benchmark
    public void switchTest(Blackhole blackhole) {
        String s1;
        switch (_STR) {
            case "java":
                s1 = "java";
                break;
            case "mysql":
                s1 = "mysql";
                break;
            case "oracle":
                s1 = "oracle";
                break;
            case "redis":
                s1 = "redis";
                break;
            case "mq":
                s1 = "mq";
                break;
            case "kafka":
                s1 = "kafka";
                break;
            case "rabbitmq":
                s1 = "rabbitmq";
                break;
            default:
                s1 = "default";
                break;
        }
        // 为了避免 JIT 忽略未被使用的结果计算，可以使用 Blackhole#consume 来保证方法被正常执行
        blackhole.consume(s1);
    }

    @Benchmark
    public void ifTest(Blackhole blackhole) {
        String s1;
        if ("java".equals(_STR)) {
            s1 = "java";
        } else if ("mysql".equals(_STR)) {
            s1 = "mysql";
        } else if ("oracle".equals(_STR)) {
            s1 = "oracle";
        } else if ("redis".equals(_STR)) {
            s1 = "redis";
        } else if ("mq".equals(_STR)) {
            s1 = "mq";
        } else if ("kafka".equals(_STR)) {
            s1 = "kafka";
        } else if ("rabbitmq".equals(_STR)) {
            s1 = "rabbitmq";
        } else {
            s1 = "default";
        }
        // 为了避免 JIT 忽略未被使用的结果计算，可以使用 Blackhole#consume 来保证方法被正常执行
        blackhole.consume(s1);
    }
}

以上代码测试的结果如下：


从以上结果可以看出，String 类型的 switch 判断，经过优化之后，性能提升了 2.4 倍，可谓效果显著。

注意事项

以上的 switch 优化是基于 String 类型的，同时我们需要注意 hashCode 重复的问题，例如对于字符串“Aa”和“BB”来说，他们的 hashCode 都是 2112，因此在优化是需要注意此类问题，也就是说我们使用 hashCode 时，必须保证判断添加的值是已知的，并且最好不要出现 hashCode 重复的问题，如果出现此类问题，我们的解决方案是在 case 中进行判断并赋值。

其他优化手段

我们本文重点讨论的是 switch 性能优化的方案，当然如果处于性能考虑，我们还可以使用更加高效的替代方案，例如集合或者是枚举，详见我的另一篇文章《9个小技巧让你的 if else看起来更优雅》。

总结

通过本文我们知道 switch 本质上只支持 int 类型的条件判断，即使是 JDK 1.7 中的 String 类型，最终编译的时候还是会被转化为 hashCode（int）进行判断。但因为编译成字节码后会在 case 中使用 if equals 进行比较，所以性能并不算太高（只比 if 高一点点），因此我们可以直接把 String 转化成 int 类型进行比较，从而避免在 case 中进行 if equals 判断的性能消耗，这样就大大的提升 switch 的性能，但需要注意的是，有些 key 值的 hashCode 是相同的，因此在优化时需要提前规避。


最后的话

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