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问题

代码里充斥着 if-else 分支有什么不好吗？除了可维护性，对程序运行效率有什么影响吗？

回答
我理解你对 ifelse 语句过多的担忧，以及它对代码可维护性的影响。除了可维护性，大量使用 ifelse 确实会对程序的运行效率产生一些微妙但值得关注的影响。我们来深入聊聊这个话题。

首先，抛开可维护性不说，单从“效率”这个角度来看，大量的 ifelse 语句并不是绝对的“坏事”，甚至在某些情况下是效率最优的选择。想象一下，你只需要判断一个条件，然后执行一段代码，ifelse 结构就是最直接、最清晰的实现方式，而且编译器和处理器对这种简单的分支预测通常做得很好。

然而，一旦 ifelse 的层级加深，或者条件变得复杂多样，问题就开始显现：

1. 分支预测失败的代价 (Branch Prediction Misses)

现代的 CPU 并不是傻乎乎地一条指令一条指令顺序执行的。它们会尝试预测接下来会执行哪条指令，然后提前将其加载到流水线中。这个过程叫做“分支预测”。

成功预测： 如果 CPU 预测对了接下来要执行的分支（例如，if 条件为真），那么流水线就保持畅通，程序会非常快地运行。
预测失败： 如果 CPU 预测错了（例如，if 条件为假，但它预测为真），那么它已经加载到流水线中的指令就白费了，CPU 需要将流水线清空，然后重新加载正确的指令。这个“清空流水线并重新加载”的过程叫做“分支预测失败惩罚”（Branch Misprediction Penalty），它会消耗 CPU 的宝贵时钟周期，导致程序变慢。

当你的代码充斥着嵌套的 ifelse，并且这些 ifelse 的条件在运行时具有不确定性或高度变化性时，CPU 的分支预测器就很难做出准确的判断。每一次预测失败，都会带来性能损失。如果分支预测失败的概率很高，那么累积起来的性能损失就会非常可观。

举个例子：

```c++
void process_data(int value) {
if (value == 1) {
// ... do something ...
} else if (value == 2) {
// ... do something else ...
} else if (value == 3) {
// ... and so on ...
} else {
// ... default action ...
}
}
```

如果 `value` 的值在 1, 2, 3, ... 之间随机分布，那么每次 `process_data` 被调用时，CPU 都可能要进行一次分支预测，并且很多时候会预测失败。

2. 代码大小和缓存效率 (Code Size and Cache Efficiency)

虽然现代编译器的优化能力很强，但大量冗余的 ifelse 语句可能会导致生成的目标代码（机器码）体积增大。

指令缓存 (Instruction Cache ICache)： CPU 会将常用的指令缓存到 ICache 中，以加快访问速度。如果目标代码非常庞大，包含大量的分散的 ifelse 分支，那么 CPU 可能无法将所有需要频繁访问的代码段都有效地放入 ICache。当需要执行的代码不在 ICache 中时，就需要从主内存中读取，这个过程比从 ICache 读取慢得多。
跳转开销 (Jump Overhead)： 每一个 ifelse 分支的判断和跳转都需要额外的指令来完成。虽然单次跳转的开销很小，但当成千上万次这样的跳转累积起来，也会对性能产生一定影响。

3. 复杂逻辑的隐藏与难以优化 (Hiding Complex Logic and Difficult Optimization)

过度使用 ifelse 会让逻辑变得非常纠缠不清，即使对于编译器来说，也很难从中提炼出更优化的模式。

死代码消除 (Dead Code Elimination)： 编译器通常会尝试移除那些永远不会被执行的代码（死代码）。但是，如果死代码隐藏在深层嵌套的 ifelse 结构中，或者依赖于非常复杂的条件组合，编译器可能难以准确识别并优化掉。
循环展开 (Loop Unrolling)： 循环展开是一种优化技术，通过复制循环体来减少循环控制的开销。但如果循环体内部充斥着大量的 ifelse，循环展开的收益就会降低，甚至可能因为增加了代码大小而适得其反（导致 ICache 效率下降）。
函数内联 (Function Inlining)： 函数内联可以将函数调用替换为函数体本身，减少函数调用的开销。但如果被内联的函数内部有大量的 ifelse，内联后代码量剧增，也可能对性能不利。

4. 可读性与思考的低效 (Inefficiency in Readability and Thinking)

虽然不是直接的“运行效率”，但“代码是否易于阅读和理解”最终会影响到开发者的时间效率。

认知负荷 (Cognitive Load)： 庞大而复杂的 ifelse 结构会显著增加开发者的认知负荷。理解代码的执行路径需要花费更多的精力，更容易出错。这种思考的低效，会间接影响到你开发和调试的速度，以及发现和修复性能瓶颈的能力。

那么，有什么替代方案可以改善这些问题？

当面对大量的条件判断时，可以考虑以下几种“更优雅”且通常更高效的替代方案：

多态 (Polymorphism) 和虚函数 (Virtual Functions)： 使用继承和虚函数，将不同行为封装在不同的类中。通过对象指针或引用调用，实际执行哪个方法由对象的类型决定，避免了显式的 ifelse 判断。这在面向对象编程中是常见的优化方式。
查找表 (Lookup Tables)： 将条件和对应的结果或操作映射到一个数据结构（如数组或哈希表）。通过简单的索引或查找，直接获取结果，避免了多次条件判断。
策略模式 (Strategy Pattern)： 将一系列算法封装成独立的类，使得它们可以互相替换。根据不同的场景，选择并执行相应的策略对象，替代了长串的 ifelse。
状态机 (State Machines)： 对于复杂的、按顺序执行或根据特定状态转换的逻辑，状态机是一个非常好的模型。它将不同的状态和状态之间的转换规则明确定义，比用 ifelse 嵌套来管理状态要清晰得多。
使用更高级的数据结构和算法： 有时候，问题的根源在于算法本身不够高效。重新审视问题，选择更合适的数据结构或算法，可能从根本上消除大量的条件判断。例如，排序、查找算法的选择都可能影响到后续的逻辑分支。

总结一下：

大量 ifelse 分支除了可维护性差这个广为人知的问题外，确实会对程序运行效率产生负面影响，主要体现在：

1. 频繁的分支预测失败，导致 CPU 周期浪费。
2. 可能增加目标代码大小，影响指令缓存的效率。
3. 阻碍编译器进行深度优化（如循环展开、内联）。
4. 增加开发者的认知负担，降低开发效率。

虽然在极少数情况下，直接的 ifelse 可能是最快的，但在大多数实际应用场景中，过度依赖 ifelse 会成为性能的隐形杀手，也让代码变得难以维护和扩展。因此，学习和应用多态、策略模式、查找表等设计模式和数据结构，是提升代码质量和运行效率的关键。

网友意见

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if else 会一定程度影响性能，在大量循环的情况下，它的性能会略微低一点，因为分支预测的关系。但其实，大多数情况下我们不用过早的进行性能优化[1]。毕竟，通常只需要优化用profiler测定出来的性能瓶颈，其他地方的代码不需要。

至于可维护性？具体情况具体分析。

先考虑一下，实际工程中，如果你需要维护一个屎山级别的项目，你最害怕的是什么问题？

你最害怕的是：当你改一个地方的时候，会莫名其妙的影响某个不知道为什么会被牵连的地方。无论怎么改都会导致其它bug，最后无从下手。

所以实际情况是：代码越少复用，越少耦合，越少条件判断，越容易成为一份容易维护的代码。

至于最初面对的问题：改一个功能需要改多处代码，现在反而不是问题，因为现在编辑器的查找替换功能都非常强大，把所有使用的地方搜索出来，逐一修改即可。

你当年以为把一处代码提出来让多个模块公用，是一个好主意，十年后，这可能就会成为一个定时炸弹。

你可能以为老工程师喜欢把一份代码复制来复制去是一个很糟糕的行为，然而实际上，代码刚复制的时候看起来是一样，软件经过几十个版本的迭代，每一份代码就可能全变成不一样的，有经验的工程师一开始就预测了他们未来将会变成不一样。所以一开始就不让他们共享同一份代码。

那么反过来呢？如果你一开始就试图让多个地方公用同一份代码，结局就是：每当我们需要改一个地方的时候就会加一个if else，因为需要改的只有一处，你多个地方共用了同一份代码，导致为了改这一处使用场合，必须加个条件判断限定到某个特定场合。在未来，这种不恰当复用导致的增加耦合，会逐渐成长为不可维护的灾难。

所以 if else 究竟会不会影响维护？我认为是这样：

  • 如果 if else 这个逻辑是算法的一部分，是原本设计如此，那么它就没有问题。
  • 如果这个 if else 是在一次一次的需求变更，代码功能迭代中逐步加进去的，那么这个 if else 就是坑。

参考

  1. ^Donard Knuth: The Art of Computer Programming https://stackify.com/premature-optimization-evil/#:~:text=Premature%20optimization%20is%20spending%20a%20lot%20of%20time,from%20his%20book%20The%20Art%20of%20Computer%20Programming%3A
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其它答主说的很好，但是是从“分支预测”与“CPU流水线”角度讲的，漏了很基本的一环：

C语言实践中，用switch-case代替if-else可以获得相当可观的性能提升。

例如某些涉及词法分析的程序中，有类似这样的逻辑：

       // 仅展示程序结构 if (c==',') { } else if (c=='.') { } else if (c==';') { } else if (c=='!') { } else if (c=='[') { } else if (c==']') { }

当分析一个较大的源代码文件时，会发现if判断执行了很多次，是一个开销热点。而这里想要优化也十分容易，改为：

       // 仅展示程序结构 switch (c) {     case ',':     { break;}     case '.':     { break;}     case ';':     { break;}     case '!':     { break;}     case '[':     { break;}     case ']':     { break;} }

改为这样以后进行性能测试，会发现显著的性能提升。

这也是C语言中switch-case的意义所在。


以上两种写法，性能有差异的原因也很简单：在if-else判断中，假如遇到了字符']'，要进行6次判断，前5次的 , . ; ! [ 都不相等时，才会跳到第6种情况。

而switch-case就可以直接跳转到case ']'的情况，少了很多步判断，在分析较大的文件时优化效果立竿见影。

通过if-else与switch-case的对比，可以加深对if-else优缺点的了解。


这里要追根究底的话，还有一个问题：C语言编译器如何实现一个快速的switch-case结构？

这个要展开的话，又是一个新的话题了。有兴趣的读者可以参考：

1、C语言中switch-case是怎么如何的？

2、C语言中switch 的查找实现原理

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