c++中的if语句、switch语句、std::map以及多态比较-编程知识

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

技术手段	分支条件 & 灵活性	动态性	性能
`if-else`语句	支持多种条件组合，灵活性很高	不支持动态扩展	差
`switch`语句	单一条件	不支持动态扩展	优
映射表(数组或`std::vector`)	单一条件	可动态扩展	优
映射表(`std::map`)	单一条件	可动态扩展	差
多态	单一条件，灵活性高	可动态扩展	优

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 randomBASE_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.argvbranchNumber = 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