Сравниваем c# операторы ?: vs if-else vs switch / Хабр

Сегодня на ревью прилетела очередная фабрика животных:

public static class AnimalsFactory
{
    public static Animal CreateAnimalByTernaryOperator(bool isCat)
    {
        return isCat ? (Animal)new Cat() : new Dog();
    }
}

В который раз расстроился, что C# заставляет делать каст объекта Cat к Animal. Но пусть лучше будет каст, ведь через if-else оператор код получается ещё длиннее:

public static class AnimalsFactory
{
    public static Animal CreateAnimalByIfElseOperator(bool isCat)
    {
        if (isCat)
            return new Cat();

        return new Dog();
    }
}

Отвлечёмся на минуту от ревью и попробуем разобраться:

будет ли отличаться IL-код в этих примерах?
будет ли один из примеров в выигрыше по производительности?

Ответ на первый вопрос — да, IL-код отличается, ниже покажу чем.

Перейдём к вопросу о производительности. Качаем nuget-пакет для бенчмарков BenchmarkDotNet и пишем тест:

public class AnimalFactoryPerformanceTests
{
    [ParamsAllValues]
    public bool IsCat { get; set; }

    [Benchmark]
    public void CreateAnimalByTernaryOperator() =>
        AnimalsFactory.CreateAnimalByTernaryOperator(IsCat);

    [Benchmark]
    public void CreateAnimalByIfElseOperator() =>
        AnimalsFactory.CreateAnimalByIfElseOperator(IsCat);
}

Результаты бенчмарков:

|                         Метод | IsCat |    Время |
|------------------------------ |------ |---------:|
| CreateAnimalByTernaryOperator | False | 1.357 ns |
| CreateAnimalByTernaryOperator |  True | 1.655 ns |
|------------------------------ |------ |---------:|
|  CreateAnimalByIfElseOperator | False | 1.636 ns |
|  CreateAnimalByIfElseOperator |  True | 1.360 ns |

Удивительно, что «для собаки» быстрее работает тернарный, а «для кота» — if-else оператор.
Смотрим на IL-код метода с тернарным оператором:

CreateAnimalByTernaryOperator(bool isCat)
{
    IL_0000: ldarg.0      // isCat
    IL_0001: brtrue.s     IL_0009
    IL_0003: newobj       instance void AnimalPerformance.Dog::.ctor()
    IL_0008: ret
    IL_0009: newobj       instance void AnimalPerformance.Cat::.ctor()
    IL_000e: ret
}

При создании объекта Dog последовательно выполнятся команды IL_0000 — IL_0008, в то время как при создании объекта Cat происходит условный переход (IL_0001: brtrue.s IL_0009).

Как можно догадаться, для if-else оператора генерируется IL-код, который не требует условных переходов для создания объекта Cat. В то время как объект Dog создаётся через условный переход:

CreateAnimalByIfElseOperator(bool isCat)
{
    IL_0000: ldarg.0      // isCat
    IL_0001: brfalse.s    IL_0009
    IL_0003: newobj       instance void AnimalPerformance.Cat::.ctor()
    IL_0008: ret
    IL_0009: newobj       instance void AnimalPerformance.Dog::.ctor()
    IL_000e: ret
}

Добавим в фабрику создание «Попугая» и новый метод с оператором switch:

public static class AnimalFactory
{
    public static Animal CreateAnimalByTernaryOperator(AnimalType animalType)
    {
        return animalType == AnimalType.Cat
            ? new Cat()
            : animalType == AnimalType.Dog
                ? (Animal)new Dog()
                : new Parrot();
    }

    public static Animal CreateAnimalByIfElseOperator(AnimalType animalType)
    {
        if (animalType == AnimalType.Cat)
            return new Cat();

        if (animalType == AnimalType.Dog)
            return new Dog();

        return new Parrot();
    }

    public static Animal CreateAnimalBySwitchOperator(AnimalType animalType)
    {
        switch (animalType)
        {
            case AnimalType.Cat:
                return new Cat();
            case AnimalType.Dog:
                return new Dog();
            case AnimalType.Parrot:
                return new Parrot();
            default:
                throw new InvalidOperationException();
        }
    }
}

Какой из методов окажется быстрее?

Результаты бенчмарков

|                         Метод | AnimalType |    Время |
|------------------------------ |----------- |---------:|
| CreateAnimalByTernaryOperator |        Cat | 2.490 ns |
| CreateAnimalByTernaryOperator |        Dog | 2.515 ns |
| CreateAnimalByTernaryOperator |     Parrot | 2.333 ns |
|------------------------------ |----------- |---------:|
|  CreateAnimalByIfElseOperator |        Cat | 2.368 ns |
|  CreateAnimalByIfElseOperator |        Dog | 2.545 ns |
|  CreateAnimalByIfElseOperator |     Parrot | 2.735 ns |
|------------------------------ |----------- |---------:|
|  CreateAnimalBySwitchOperator |        Cat | 2.747 ns |
|  CreateAnimalBySwitchOperator |        Dog | 2.730 ns |
|  CreateAnimalBySwitchOperator |     Parrot | 2.722 ns |

IL-код

CreateAnimalByTernaryOperator(AnimalsFactory.AnimalType animalType)
{
    IL_0000: ldarg.0      // animalType
    IL_0001: brfalse.s    IL_0013
    IL_0003: ldarg.0      // animalType
    IL_0004: ldc.i4.1
    IL_0005: beq.s        IL_000d
    IL_0007: newobj       instance void AnimalsFactory.Parrot::.ctor()
    IL_000c: ret
    IL_000d: newobj       instance void AnimalsFactory.Dog::.ctor()
    IL_0012: ret
    IL_0013: newobj       instance void AnimalsFactory.Cat::.ctor()
    IL_0018: ret
}

CreateAnimalByIfElseOperator(AnimalsFactory.AnimalType animalType)
{
    IL_0000: ldarg.0      // animalType
    IL_0001: brtrue.s     IL_0009
    IL_0003: newobj       instance void AnimalsFactory.Cat::.ctor()
    IL_0008: ret
    IL_0009: ldarg.0      // animalType
    IL_000a: ldc.i4.1
    IL_000b: bne.un.s     IL_0013
    IL_000d: newobj       instance void AnimalsFactory.Dog::.ctor()
    IL_0012: ret
    IL_0013: newobj       instance void AnimalsFactory.Parrot::.ctor()
    IL_0018: ret

}

CreateOtherAnimalBySwitchOperator(AnimalsFactory.AnimalType animalType)
{
    IL_0000: ldarg.0      // animalType
    IL_0001: switch       (IL_0014, IL_001a, IL_0020)
    IL_0012: br.s         IL_0026
    IL_0014: newobj       instance void AnimalsFactory.Cat::.ctor()
    IL_0019: ret
    IL_001a: newobj       instance void AnimalsFactory.Dog::.ctor()
    IL_001f: ret
    IL_0020: newobj       instance void AnimalsFactory.Parrot::.ctor()
    IL_0025: ret
    IL_0026: newobj       instance void System.InvalidOperationException::.ctor()
    IL_002b: throw
}

Вывод 1: Для тернарного и if-else операторов время работы напрямую зависит от количества условных переходов, которые прозошли в потоке выполнения.

Вывод 2: C# оператор switch преобразуется в IL-коде в инструкцию switch и в среднем работает немного дольше, чем обычные операторы ветвления.

Вывод 3: Всё, что выше, актуально только для .NET Framework v.4.8. Прогнав те же самые тесты на .NetCore получились совсем другие результаты, которые ещё предстоит как-то интерпретировать.

Результаты бенчмарков .NetCore 3.0

|                         Метод | AnimalType |    Время |
|------------------------------ |----------- |---------:|
| CreateAnimalByTernaryOperator |        Cat | 3.046 ns |
| CreateAnimalByTernaryOperator |        Dog | 2.984 ns |
| CreateAnimalByTernaryOperator |     Parrot | 3.019 ns |
|------------------------------ |----------- |---------:|
|  CreateAnimalByIfElseOperator |        Cat | 2.980 ns |
|  CreateAnimalByIfElseOperator |        Dog | 2.977 ns |
|  CreateAnimalByIfElseOperator |     Parrot | 3.103 ns |
|------------------------------ |----------- |---------:|
|  CreateAnimalBySwitchOperator |        Cat | 3.519 ns |
|  CreateAnimalBySwitchOperator |        Dog | 3.533 ns |
|  CreateAnimalBySwitchOperator |     Parrot | 3.312 ns |

Процессор: Intel® Core(TM) i7-7700K

Исходники