[SnowOne 2025] Портнов Петр: Банальные свичи

Свичи с разных сторон. Посмотрим, как они эволюционировали, какие ужасы (зачем-то) унаследовали из Ceylon, как устроена нетривиальщина (строки/энамы, pattern matching, exhaustiveness, неудачная реализация в OpenJDK) и чего им еще не хватает для красоты мира.

Видео: https://youtu.be/jG_Vx1JKmOY

Transcript

1. Пётр Портнов pportnov@ozon.ru github.com/JarvisCraft Банальные свичи
2. Привет! Я Петя Портнов Старший разработчик в поисковой платформе Ozon 11:25
3. Пётр Портнов pportnov@ozon.ru Микрокоммитил в OpenJDK, Lucene, Log4j2 Мейнтейнер в flipperzero-rs, jrsonnet, nixpkgs
4. Откуда возникла конструкция switch? Как она развивалась? Как она устроена уровнем ниже? Какие сложности в её реализации? Что нас ждёт впереди? О чём этот доклад? AGENDA и дисклеймеры 4
5. 5 Bytecode ahead Warning!
6. 01 Дремучее легаси Великая история
7. Все мы любим ifы 7
8. 8 Во что их можно переписать ООПшно? Егор, привет!
9. 9 Во что их можно переписать ООПшно?
10. … А если удобно? 10
11. Со скобочками 11
12. 12 Будем смотреть на switch и постепенно его улучшать
13. 02 Откуда вообще взялся break?
14. https://ru.wikipedia.org/wiki/Ветвление_(программирование)#Оператор_множественного_выбора Будем называть switchем оператор множественного выбора 14
15. if – частный случай switch? 15
16. Но только на Java 23+ О чём будет в конце 16
17. https://ikfia.ysn.ru/wp-content/uploads/2018/01/Klini1957ru.pdf #F. Пусть функция φ определяется следующим образом: φ(x1 , ... , xn ) = φ1(x1 , ... , xn ) еслиQ1(x1 , ... , xn ), . . . . . . . . . . . . φm(x1 , ... , xn ) еслиQm(x1 , ... , xn ), φm+1(x1 , ... , xn ) в остальных случаях, где Q1 , ... , Qm — исключающие друг друга предикаты(илиφ(x1 , ... , xn) принимает значение, которое даёт первый применимый пункт). Тогда φ примитивно-рекурсивна относительноφ1, ..., φm+1, Q1, ..., Qm+1. (Определение пути разбора случаев.) 1952: Первое появление Введение в Математику, Стефен К. Клини 17
18. 18 ~1954: Fortran
19. 19 ~1972: C
21. 21 Но откуда всё таки fallthrough и break?
22. 22 Но откуда всё таки fallthrough и break?
23. 23 Уберём свои отступы и получим
25. 25 Как бы вы оптимизировали такое, будь вы компилятором?
26. 26 Если count всегда кратен 8
27. 27 Узрите, Duff's Device
29. 29 Форматнём
30. 30 Просто GOTO (в )цикл
31. Компиляторы стали умнее Актуально ли это сейчас? 31
32. Дизасм разный Актуально ли это сейчас? 32 Дизасм Duff's Device: https://godbolt.org/z/esxvThP9c Дизасм оригинала: https://godbolt.org/z/z7ch3PzvW
33. Много кода — хуже кэшам Актуально ли это сейчас? 33
34. Компиляторы стали умнее А если копирование памяти? 34
35. Дизасм разный А если копирование памяти? 35 Дизасм Duff's Device: https://godbolt.org/z/on6oW4Eh3 Дизасм оригинала: https://godbolt.org/z/hqecYbEnP
36. А если копирование памяти? 36 Код не эквивалентен — указатели могут алиаситься
37. А если копирование памяти? 37 Но есть restrict! С restict: https://godbolt.org/z/zT1q13Yae
38. А если копирование памяти? 38 Правильно расставить restrict — нетривиальная задача
39. А если копирование памяти? 39 Используйте memcpy
41. 03 Обратно в Джаву
42. MVP: целые числа и только 42
43. 43 Работает только с целыми числами до 32 бит (int). Унаследовал большую часть сишной семантики. Устройство Даффа не получится. Свойства
44. Когда ветки расположены рядом. Компилируется в tableswitch 44
45. Когда ветки расположены рядом. Простой пример tableswitch 45
46. Что если добавить дырки? 46
47. Больше дырок 47
48. lookupswitch — то же самое, но записано иначе 48
49. SnowOne 2025 Может быть полезно для интерпретатора, но для JIT-компилятора должно быть эквивалентно 49
50. 50 01 Для них есть удобное числовое значение — ordinal(). Добавляем перечисления 02 Проблема? 03 ordinal() может меняться при перекомпиляции того, где объявлен enum.
51. Проблемы: в библиотеке A 51
52. Проблемы: в библиотеке B 52
53. Проблемы: в скомпиленной B 53
54. Проблемы: добвляем в библиотеке A 54
55. Проблемы: B никто не пересобрал 55
56. Решение: динамически заводим табличку... 56
57. Решение: ... и выбираем ветку по табличке 57
58. Добавляем строки: нужно быть лучше плюсов! 58
59. Но мы ограничены доступными инструкциями
60. 1. String#length() 2. String#hashCode() Как превратить строку в число? 60
61. Напишем такой switch руками 61
62. А если хэшкод совпал? 62
63. Без equals(Object) не обойтись 63
64. А что делать с default? 64
65. Можно ли поменять hashCode() у строки 65 Нет, потому что его значения захардкожены в ранее скомпилированных свичах
66. 66 01 Отобразить T в int. Общий принцип для свича по T 02 Сделать switch по int- значению. O 1 либо O log2 𝑛 . 03 Чётко сверить T с ожидаемым значением.
67. Каждый такой костыль оседает в байткоде
68. Можно ли обощить подход без новых костылей? 68
69. Что такое invokedynamic? 69
70. Универсального подхода к свичам Общая идея 70 01 Получаем в рантайме "преобразователь" T -> int через invokedynamic. 02 Преобразуем значение типа T в int и свичимся.
71. На примере всё тех же перечислений 71
72. Про особенности и подвохи Тагир Валеев Трансляция switch в Java-байткод Если нужно, размести тут QR-код или удали эту фигуру https://youtu.be/RBkYG5UblUk
73. 04 Путь к pattern-matching'у
74. Что если бы свич мог быть выражением? 74
75. Узрите 75
76. Новый сахар 76 01 case X -> — без fallthrough case X: — с fallthrough 02 Можно компактно перечислять варианты: case A, B, C ->
77. Новый сахар 77 01 switch должен быть тотальным, то есть покрывать все возможные значения. 02 Но можно выбросить исключение. 03 (Внешние) break, return и continue — нельзя.
78. Во что компилируется? 78
79. С маленьким нюансом 79
80. 80 И всё? Dependencies … Future support for pattern matching, beginning with JEP 305, will build on this JEP. Хмм...
81. 81 Pattern matching involves testing whether an object has a particular structure, then extracting data from that object if there's a match. ВНИМАНИЕ https://docs.oracle.com/en/java/javase/17/language/pattern-matching.html
82. Pattern matching в Scala 82
83. Pattern matching в Rust 83
84. Минимальный pattern matching 84
85. Байткод идентичен 85
86. Чем лучше классического? 86
87. Нельзя продолбаться 87
88. Подробнее про любовь к ADT Пётр Портнов Продвинутые системы типов. Чего еще мне не хватает в Java из Rust Если нужно, размести тут QR-код или удали эту фигуру https://youtu.be/Rijd-I34s8w
89. Что делать, когда нас интересует содержимое нескольких веток? 89
90. Либо теряем полноту 90
91. Вспоминаем, что if — частный случай switch 91
92. В type-switch компилятор требует тотальность 92
93. А что думает javac? 93
94. Bootstrap method 94
95. И касты там, где нужно 95
96. Разного рода непотребства Что ещё можно? 96
97. Доставать компоненты recordов: вместо... 97
98. Доставать компоненты recordов: ...получаем 98
99. Параллельно матчиться по перечислениям 99
100. И что же выплюнет javac? 100
101. И что же выплюнет javac? 101
102. И что же выплюнет javac? 102
103. А ещё вложенные типы, null, ... 103
104. ..., guardы, ... 104
105. … и, наконец, вложенные шаблоны 105
106. … Которые просто раскладываются в несколько свичей 106
107. … Которые просто раскладываются в несколько свичей 107
108. … Которые просто раскладываются в несколько свичей 108
109. … Которые просто раскладываются в несколько свичей 109
110. Почти всегда И всё это работает! 110
111. с instanceof 111
112. А вот со свичём сразу заработало! 112
113. 05 Как устроен SwitchBootstraps
114. Здесь предлагается сделать небольшой перерыв в думательной активности и просто насладиться реализацией 06:11
115. Открываем исходники 115 https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/ src/java.base/share/classes/java/lang/runtime/ SwitchBootstraps.java
116. Что есть switch bootstrap? 01 Построитель функции- таблички (bootstrap method). 02 Функция-табличка 116
117. BM Вся соль в табличках 117
118. https://github.com/openjdk/jdk/commit/ 908aca29ca60f5f251df8c6a31b2543929be12fc How it all started 118
119. Построитель таблички 119
121. Упрощённо говоря: код... 121
122. Упрощённо говоря: ...превращаем в 122
123. Упрощённо говоря 123
124. Что эквивалентно 124
125. Построитель таблички 125
127. Где можно быть умнее?
128. 128 8268766: Desugaring of pattern matching enum switch should be improved Для `enum`ов добавили свои методы построения таблички. (потребовалась доработка в `javac`)
129. 129 8291966: SwitchBootstrap.typeSwitch could be faster Если мы попали в ветку по типу, но не прошли guard, то продолжаем перебор веток оттуда, где остановились.
130. 130 8319220: Pattern matching switch with a lot of cases is unduly slow Заменить цепочку instanceof, построенную через MethodHandle’ы на аналог через рантайм- генерацию байткода.
131. https://github.com/openjdk/jdk/commits/master/ src/java.base/share/classes/java/lang/runtime/ SwitchBootstraps.java А также фиксы, микрооптимизации и новые фичи 131
132. 132 Философия сдвинулась от быстрой, но очень узкой реализации…
133. 133 ... К широкой реализации с возможностью дотюнить перф в будущем
134. 06 Что нас ждёт?
135. JEP 456: Unnamed Variables & Patterns 135
136. JEP 488: Primitive Types in Patterns, instanceof, and switch (Second Preview) 136
137. Выводы Свичи в Java — результат эволюции старых решений с учётом всё новых функций Patten matching — мощный инструмент, упрощающий разработку и предотвращающий ошибки Философия сместилась от «просто, но эффективно» к «гибко и динамически» 137
138. Спасибо за внимание Пётр Портнов pportnov@ozon.ru github.com/JarvisCraft