c++中的if语句、switch语句、std::map以及多态比较

实现多分支逻辑的场景通常可以使用以下几种技术手段可以选择

• if-else语句
• switch语句
• 三元运算符（只能实现2个分支的场景，本文不做讨论）
• 映射表（std::map、数组或std::vector）
• 多态（策略模式为例）

其他几种手段不必多说，多态是面向对象的一个重要概念，本文以策略模式为例比较多态与其他几种多分支技术的区别。策略模式的一般形式如下

struct Strategy {
    virtual void execute() = 0;
};

struct ConcreteStrategy1 : Strategy {
    void execute() override { // code block 1 }
};

struct ConcreteStrategy2 : Strategy {
    void execute() override { // code block 2 }
};

// Context class that uses the strategy
class Context {
public:
    Context(Strategy& s) : strategy(s) {}
    void execute() { strategy.execute(); }

    Strategy& strategy;
};

// Usage
Context context(new ConcreteStrategy1());
context.execute();

在实际编码中该如何选择使用哪一种技术手段呢？我们先对这几种技术做个简单的比较

分支条件

显然，if-else语句几乎在任何场景中都可以使用，因为它的分支条件很灵活而且是可以组合的。而其他几种技术的分支条件都只支持单一条件，只能根据一个变量的值选择分支，而且分支条件的变量类型也有限制

• switch语句：分支条件的类型可以是 整数类型、枚举类型、字符类型几种。浮点数、字符串等无法直接作为分支条件，自定义类型重载了比较操作符后也可以作为分支条件。
• 映射表(数组或std::vector)：分支条件的类型只能是整数类型，并且分支需要是紧密排列的。这种技术就是利用数组形成映射表，然后用数组下标查询分支。
• 映射表(std::map)：分支条件的类型就是std::map的key的类型。作为key的类型，要求满足严格的弱序关系（支持 < 运算符，并且且运算符定义的比较是可传递的），自定义类型重载了小于号操作符后也可以作为key。
• 多态：分支条件实际上就是子类（策略）的类型，不同子类的实例触发的分支自然是不一样的。

动态性

动态性是指运行时分支是否可变（增加分支或者减少分支），显然if-else语句和switch语句无法做到运行时可变，而其余几种则是支持的。

性能对比

关于性能我们先看一组数据。下面是不同分支数量情况下，执行500次查询的耗时情况（测试方法见本文最后的 性能数据采集方法）。

随着分支数量增加if-else语句和std::map版本的耗时逐渐增多，switch语句和多态版本的耗时则相对稳定地保持在很低的水平。
关于性能的结论很明显，但是…为什么呢？理解四种技术各自的原理后就会得到答案

if-else语句：if-else编译后汇编码对应一系列test指令，每次查询分支都会逐一测试分支条件直至成功命中后中断查询。分支越多查询的平均耗时越长。现代编译器的流水线技术还会提供分支预测能力，这有助于提升性能，但如果分支预测失败代价也会很高。

switch语句：编译器使用跳转表技术将switch语句转换为数组形式，每次查询分支相当于一次寻址操作，查询耗时理论上和分支多少没关系。

映射表(数组或std::vector)：数组形式的映射表没统计在内，因为数组形式的映射表技术是编译器实现switch语句的原理，每次查询分支就是一次数组取值操作，查询耗时理论上和分支多少没关系。感兴趣的同学可以使用文末的方法自己采集数据观察。

映射表(std::map)：每次查询分支实际上就是一次查表操作。std::map内部是用红黑树实现的，查询耗时与树大小有关，所以分支越多查询的平均耗时越长。

多态：c++多态是使用虚函数实现的，每次查询分支实际上对应一次查虚函数表的操作，相当于两次寻址操作，所以查询耗时理论上和分支多少没关系。

如何选择

本人原则：简单编码。在当前情形下，哪种技术用起来更简单（编码少、易读）就用哪个。另外有两个方面可能会特别注意

• 扩展性：std::map和多态的扩展性更好，在分支量大或者分支改动频繁的情况下会优先考虑。
• 性能：分支较多时if-else语句和std::map的性能表现较差，当性能成为瓶颈的时候考虑使用其他形式替代。

性能数据采集方法

使用下面的python脚本生成不同分支数量的cpp代码，然后编译、运行并观察结果。注意编译时使用-O0选项关闭编译器优化。

import random


BASE_CODE = """
#include <stddef.h>
#include <stdio.h>
#include <vector>
#include <functional>
#include <map>
#include <chrono>
#include <thread>


struct Strategy {
    virtual int GetValue() { return -1; }
    static Strategy& GetInst(int value);
} strategy_base;

struct Data {
    Data(int value) : _value(value), strategy(Strategy::GetInst(value)) { }

    int _value;
    Strategy& strategy;
};

long long CalculateElapsedTime(std::vector<Data>& input, std::function<int(const Data&)> func) {
    auto startTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::vector<int> res(input.size());
    for (int index = 0; index < input.size(); ++index) {
        res[index] = func(input[index]);
    }
    auto endTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    long long elapsedTime = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(endTime - startTime).count();
    return elapsedTime;
}

"""


def CodeIfElse(num):
    left = "{"
    right = "}"

    print("int TransIfElse(const Data& input) {")
    print("    int res = -1;")
    for i in range(num):
        branchStr = "if" if i == 0 else "else if"
        print(f"    {branchStr} (input._value == {i}) {left}")
        print(f"        res = {100 + i};")
        print(f"    {right}")
    print("    return res;")
    print("}")


def CodeSwitches(num):

    print("int TransWithSwitch(const Data& input) {")
    print("    int res = -1;")
    print("    switch(input._value) {")
    for i in range(num):
        print(f"        case {i}:")
        print(f"            res = {100 + i};")
        print(f"            break;")
    print(f"        default:")
    print(f"            break;")
    print("    }")
    print("    return res;")
    print("}")


def CodeMap(num):
    left = "{"
    right = "}"

    print("int TransWithSTDMap(const Data& input) {")
    print("    static std::map<int, int> valuMap = {")
    for i in range(num):
        print(f"        {left}{i}, {100 + i}{right},")
    print("    };")
    print("    if (valuMap.find(input._value) == valuMap.end()) {")
    print("        return -1;")
    print("    }")
    print("    int res = valuMap[input._value];")
    print("    return res;")
    print("}")
    print("")

def codeList(num):
    print("int TransWithSTVector(const Data& input) {")
    print("    static std::vector<int> valueVector = {")
    for i in range(num):
        print(f"        {100 + i},")
    print("    };")
    print("    if (valueVector.size() <= input._value) {")
    print("        return -1;")
    print("    }")
    print("    return valueVector[input._value];")
    print("}")
    print("")

def CodeStrategy(num):
    left = "{"
    right = "}"

    print(f"static const int HANDLER_INST_NUM = {num};")
    for i in range(num):
        print(f"struct SubHandler_{i} : public Strategy {left} virtual int GetValue() {left} return {100 + i}; {right}{right} strategy_{i};")

    print("")
    print("Strategy& Strategy::GetInst(int value) {")
    print("    if (value >= 0 && value < HANDLER_INST_NUM) {")
    print("         return *(&strategy_0 + value);")
    print("    }")
    print("    return strategy_base;")
    print("}")

    print("")
    print("int TransWithStrategy(const Data& input) {")
    print("    int res = input.strategy.GetValue();")
    print("    return res;")
    print("}")
    print("")



def CodeInput(rangeRight, num):
    random_numbers = [random.randint(0, rangeRight + 1) for _ in range(num)]

    inputData = "    std::vector<Data> input = { "
    for i in range(len(random_numbers)):
        if i != 0 and i % 50 == 0:
            inputData += "\n                                "
        inputData += f"{random_numbers[i]}, "
    inputData += "};"
    print(inputData)


def code(branchNum):
    print(BASE_CODE)

    CodeIfElse(branchNum)
    CodeSwitches(branchNum)
    CodeMap(branchNum)
    codeList(branchNum)
    CodeStrategy(branchNum)

    print("int main() {")
    CodeInput(branchNum, 500)
    print("""    long long timeIfElse = CalculateElapsedTime(input, TransIfElse);""")
    print("""    printf("===> timeIfElse: %-lld us\\n", timeIfElse);""")

    print("""    long long timeSwitch = CalculateElapsedTime(input, TransWithSwitch);""")
    print("""    printf("===> timeSwitch: %-lld us\\n", timeSwitch);""")

    print("""    long long timeSTDMap = CalculateElapsedTime(input, TransWithSTDMap);""")
    print("""    printf("===> timeSTDMap: %-lld us\\n", timeSTDMap);""")

    print("""    long long timeVector = CalculateElapsedTime(input, TransWithSTVector);""")
    print("""    printf("===> timeVector: %-lld us\\n", timeVector);""")

    print("""    long long timeStrategy = CalculateElapsedTime(input, TransWithStrategy);""")
    print("""    printf("===> timeStrategy: %-lld us\\n", timeStrategy);""")
    print("""}""")


import sys
if __name__ == "__main__":
    args = sys.argv
    branchNumber = 2 if len(args) <= 1 else int(args[1])
    code(branchNumber)

完整的生成代码、编译、运行命令如下

# 生成分支数为20的cpp，如需生成分支数为50的版本，将下面的20改为50即可
python3 Coder.py 20 > Main.cpp

# 编译
g++ Main.cpp -std=c++11 -O0 -o test

# 运行
./test