スイッチ文

コンピュータ プログラミング言語において、switch ステートメントは、変数または式の値によって、検索とマップを介してプログラム実行の 制御フローを変更できるようにするために使用される選択制御メカニズムの一種です。

switch 文は、C / C++、C#、Visual Basic .NET、Javaifなどのプログラミング言語で使用される文と多少似た機能を持ち、 Pascal、Ada、C / C++、C#、^{[1] : 374–375} Visual Basic .NET、Java、^{[2] : 157–167}などのほとんどの高レベル命令型プログラミング言語や、、、 などのキーワードを使用する他の多くの種類の言語に存在します。 switchcaseselectinspect

switch ステートメントには、2 つの主なバリエーションがあります。1 つは Pascal のような構造化 switch で、これは 1 つの分岐だけを取ります。もう 1 つは C のような非構造化 switch で、これはgotoの一種として機能します。switch を使用する主な理由としては、繰り返しのコーディングを減らすことで明瞭性が向上することや、(ヒューリスティックが許せば) 多くの場合コンパイラの最適化が容易になり、実行速度が向上する可能性があることなどが挙げられます。

1952 年の著書『メタ数学入門』で、スティーブン・クリーネはCASE 関数 (IF-THEN-ELSE 関数が最も単純な形式) が原始的な再帰関数であることを正式に証明し、次のように「ケースによる定義」という概念を定義しました。

「#F. 関数φは次のように定義される

φ(x ₁ , ... , x _n ) =

• φ ₁ (x ₁ , ... , x _n ) ならば Q ₁ (x ₁ , ... , x _n )、
• . . . . . . . . . . . .
• φ _m (x ₁ , ... , x _n ) ならば Q _m (x ₁ , ... , x _n )、
• φ _m+1 (x ₁ , ... , x _n ) それ以外の場合、

ここで、Q ₁、...、Q _mは相互に排他的な述語（または φ(x ₁、...、x _{n ) は、適用される最初の節で指定された値を持つ）であり、 φ 1}、...、φ _m+1、Q ₁、...、Q _m+1において原始再帰的です。

— スティーブン・クリーネ、^[3]

クリーネは、ブール型再帰関数「sign-of」sg( ) と「not sign of」~sg( ) を使ってこのことを証明している (クリーネ 1952:222-223)。前者は、入力が正であれば 1 を返し、負であれば -1 を返す。

Boolos-Burgess-Jeffrey はさらに、「ケースによる定義」は相互に排他的かつ集合的に網羅的でなければならないという見解を示しています。彼らも、この関数の原始的な再帰性の証明を提供しています (Boolos-Burgess-Jeffrey 2002:74-75)。

IF-THEN-ELSE はMcCarthy 形式の基礎であり、その使用は基本的な再帰とmu 演算子の両方を置き換えます。

最も初期のFortranコンパイラは、多方向分岐用の計算 GOTOステートメントをサポートしていました。初期のALGOLコンパイラは、「指定式」のリストを含む SWITCH データ型をサポートしていました。GOTO ステートメントはスイッチ変数を参照し、インデックスを提供することで、目的の宛先に分岐することができます。経験を積むにつれて、入口と出口が 1 つの、より正式な多方向構造が必要であることが認識されました。BCPL、ALGOL-W、ALGOL-68 などの言語では、この構造の形式が導入され、現代の言語でも生き残っています。

ほとんどの言語では、プログラマーは 1 つまたは 2 つのキーワードを使用して、多数の個別の行にまたがる switch ステートメントを記述します。一般的な構文は次のとおりです。

• 最初のに続いて、スイッチ文の制御式または制御変数selectと呼ばれる式が続きます。
• 後続の行は実際のケース（値）を定義し、一致が発生したときに実行される一連のステートメントに対応する。
• フォールスルー動作を持つ言語では、break通常、caseステートメントの後にステートメントが続き、そのステートメントを終了します。[Wells]
• PL/Iなどの一部の言語では、制御式はオプションです。制御式がない場合、各選択肢はブール式を含む節で始まり、その式が true と評価される最初のケースで一致が発生します。この使用法は、 PerlWHENなどの他の言語の if/then/elseif/else 構造に似ています。
• 一部の言語 (例: Rexx)では、制御式は許可されず、各選択肢はWHENブール式を含む節で始まり、その式が true と評価される最初のケースで一致が発生します。

各選択肢は、制御変数が一致する可能性のある特定の値、または値のリスト (以下を参照) で始まり、これにより制御が対応する一連のステートメントに移動caseします。値 (または値のリスト/範囲) は通常、コロンまたは含意矢印によって対応するステートメント シーケンスから区切られます。多くの言語では、すべてのケースの前に またはなどのキーワードも付ける必要がありますwhen。

オプションのデフォルト ケースも通常は許可され、、、またはキーワードで指定されますdefault。otherwiseこれelseは、他のケースが制御式に一致しない場合に実行されます。C などの一部の言語では、一致するケースがなく、がdefault省略されている場合、switchステートメントは何も行いません。PL/I などの他の言語では、エラーが発生します。

意味的には、switch ステートメントには主に 2 つの形式があります。

最初の形式は、Pascal のような構造化されたスイッチで、正確に 1 つの分岐が実行され、ケースは個別の排他的なブロックとして扱われます。これは、2 つだけではなく任意の数の分岐を持つ、 一般化された if-then-else条件として機能します。

2 番目の形式は、C のような非構造化スイッチです。この場合、ケースは単一のブロック内のラベルとして扱われ、スイッチは一般化された goto として機能します。この区別は、フォールスルーの処理と呼ばれ、以下で詳しく説明します。

多くの言語では、一致するブロックのみが実行され、その後、switch ステートメントの最後から実行が続行されます。これらには、Pascalファミリ (Object Pascal、Modula、Oberon、Ada など) だけでなく、PL/I 、Pascal の影響を受けたFortranおよびBASIC方言の最新形式、ほとんどの関数型言語などが含まれます。複数の値で同じコードを実行できるようにするため (およびコードの重複を回避するため)、Pascal タイプの言語では、カンマ区切りのリスト、範囲、または組み合わせとして、ケースごとに任意の数の値を許可します。

C 言語から派生した言語、およびより一般的には Fortran の計算型 GOTOの影響を受けた言語は、代わりにフォールスルーを特徴としており、制御は一致するケースに移動し、その後、実行はソース テキスト内の次のケースに関連付けられたステートメントに継続されます (「フォールスルー」) 。これにより、特別な構文を使用せずに複数の値を同じポイントに一致させることもできます。それらは空の本体でリストされるだけです。値は、ケース本体のコードを使用して特別な条件付けを行うことができます。実際には、フォールスルーは通常、break一致する本体の末尾にあるキーワードによって防止され、スイッチ ブロックの実行が終了しますが、プログラマがbreakステートメントを挿入し忘れた場合、意図しないフォールスルーが原因でバグが発生する可能性があります。そのため、多くの人^[4]はこれを言語の欠点と見なし、一部の lint ツールでは警告されています。構文的には、ケースはブロックではなくラベルとして解釈され、switch ステートメントと break ステートメントは制御フローを明示的に変更します。JavaScript など、C の影響を受けた一部の言語では、デフォルトのフォールスルーが保持されますが、他の言語ではフォールスルーが削除されるか、特別な状況でのみ許可されます。 C ファミリにおける注目すべきバリエーションとしてはC#breakがあり、ブロックが空でない限り、すべてのブロックはまたはで終了する必要がありますreturn(つまり、フォールスルーは複数の値を指定する方法として使用されます)。

言語によっては、オプションのフォールスルーを提供するものもあります。たとえば、Perl はデフォルトではフォールスルーしませんが、continueキーワードを使用して明示的にフォールスルーする場合があります。これにより、意図しないフォールスルーが防止されますが、必要な場合はフォールスルーが許可されます。同様に、Bashは で終了した場合はデフォルトでフォールスルーしません;;が、代わりにまたは を使用するとフォールスルー^[5]が許可されます。 ;&;;&

フォールスルーに依存する switch ステートメントの例としては、Duff のデバイスがあります。

GCCやClangなどの最適化コンパイラは、switch文を分岐テーブルかcaseの値によるバイナリ検索にコンパイルすることがあります。 ^[6] 分岐テーブルを使用すると、switch文は比較リストを経由せずに、少数の定数の命令で実行する分岐を決定できます。一方、バイナリ検索では、switch文のcaseの数で測定された対数的な数の比較のみが必要です。

通常、この最適化が行われたかどうかを確認する唯一の方法は、コンパイラによって生成された 結果のアセンブリまたはマシン コード出力を実際に確認することです。

case一部の言語およびプログラミング環境では、 orステートメントの使用はswitch、同等の一連のif else ifステートメントよりも優れていると考えられています。その理由は次のとおりです。

• デバッグが簡単 (例: デバッガーに条件付きブレークポイント機能がない場合、コードではなく呼び出しテーブルにブレークポイントを設定する)
• 読みやすい
• 理解しやすくなり、結果的にメンテナンスも容易になります
• 固定された深さ: 「if else if」ステートメントのシーケンスにより深いネストが生成され、コンパイルが困難になる場合があります (特に自動生成されたコードの場合)
• すべての値が処理されているかどうかの検証が容易になります。一部の列挙値が処理されていない場合、コンパイラは警告を発行できます。

さらに、最適化された実装は、インデックス付きの分岐テーブルを使用して実装されることが多いため、他の方法よりもはるかに高速に実行される可能性があります。^[7]たとえば、1つの文字の値に基づいてプログラムフローを決定すると、正しく実装されていれば、他の方法よりもはるかに効率的であり、命令パスの長さが大幅に短縮されます。このように実装すると、switch文は本質的に完全なハッシュになります。

制御フロー グラフの観点で見ると、switch 文は 2 つのノード (入口と出口) と、各オプションごとにそれらの間の 1 つのエッジで構成されます。対照的に、「if...else if...else if」文のシーケンスには、最初と最後以外のすべてのケースに対して追加のノードと、対応するエッジがあります。したがって、「if」のシーケンスの結果の制御フロー グラフには、より多くのノードとほぼ 2 倍のエッジが含まれますが、これらは有用な情報を追加しません。ただし、if 文の単純な分岐は、switch 文の複雑な分岐よりも個別に概念的に簡単です。循環的複雑度の観点から見ると、これらのオプションは両方とも、 k 個のケースが与えられた場合、それをk −1増加させます。

スイッチ式は、2019年3月19日のJava SE 12でプレビュー機能として導入されました。ここでは、スイッチ式全体を使用して値を返すことができます。またcase L->、右側が単一の式である新しい形式のcaseラベルもあります。これもフォールスルーを防ぎ、caseが網羅的であることを要求します。Java SE 13ではステートメントyieldが導入され、Java SE 14ではスイッチ式が標準の言語機能になります。^{[8] [9] [10]}例えば：

int ndays = switch ( month ) { case JAN 、MAR 、MAY 、JUL 、AUG 、OCT 、DEC -> 31 ; case APR 、JUN 、SEP 、NOV -> 30 ; case FEB -> { if ( year % 400 == 0 ) yield 29 ; else if ( year % 100 == 0 ) yield 28 ; else if ( year % 4 == 0 ) yield 29 ; else yield 28 ; } };     
             
          
       
               
                
                
           

多くの言語では、実行時にブロック内の式を評価するためswitch、あまり目立たない構造の使用が数多く許可されます。これにより、特定のコンパイラ最適化が禁止されるため、パフォーマンスのオーバーヘッドよりも柔軟性の向上が重要な動的言語やスクリプト言語でより一般的です。

たとえば、PHPでは、定数をチェックする「変数」として使用することができ、その定数に評価される最初の case ステートメントが実行されます。

switch  ( true )  { 
    case  ( $x  ==  'hello' ) : 
        foo (); 
        break ; 
    case  ( $z  ==  'howdy' ) :  break ; 
} 
switch  ( 5 )  { 
    case  $x :  break ; 
    case  $y :  break ; 
}

この機能は、1 つの変数を多数の値に対してチェックするのではなく、複数の変数を 1 つの値に対してチェックする場合にも便利です。COBOL では、ステートメントでこの形式 (およびその他の形式) もサポートされています。PL/Iには、制御式を完全に省略し、最初にtrueと評価されたものを実行する、ステートメントEVALUATEの代替形式があります。 SELECTWHEN

Rubyでは、等価性の扱いにより===、次のステートメントを使用して変数のクラスをテストできます。

case input when Array then puts 'input is an Array!' when Hash then puts 'input is a Hash!' end 
    
    

Ruby は変数に割り当てることができる値も返しますが、実際にはcaseパラメータは必要ありません (ステートメントのように動作しますelse if)。

catfood = case猫の年齢< = 1ジュニア猫の年齢> 10シニアそれ以外は正常終了 
  
     
    
     
    
  
    
  

アセンブリ言語のswitch文:

switch: 
cmp ah , 00h je a cmp ah , 01h je b jmp swtend ; ここでは大文字と小文字が一致しないか、または「デフォルト」コードですa: push ah mov al , 'a' mov ah , 0Eh mov bh , 00h int 10h pop ah jmp swtend ; 「break」と同等ですb: push ah mov al , 'b' mov ah , 0Eh mov bh , 00h int 10h pop ah jmp swtend ; 「break」と同等です... swtend:    
   
    
   
      

   
    
    
    
   
   
      

   
    
    
    
   
   
      
  

Python 3.10.6では、PEP 634-636が承認され、キーワードが追加されましたmatch。case[ ^{11] [12] [13] [14]}他の言語とは異なり、Pythonはフォールスルー動作を示しません。

letter  =  input ( "1文字を入力してください: " ) . strip ()[ 0 ] . casefold ()  # 入力の最初の空白以外の文字を小文字にする
一致する 文字:
    case  'a'  |  'e'  |  'i'  |  'o'  |  'u' :  # if文の条件とは異なり、ここでは`or`キーワードを使用してケースを区別することはできません。
        print ( f "文字{文字}は母音です!" )
     'y'の場合:
        print ( f "文字{文字}は母音の可能性があります。" )
    case _ : # `case _` は C などの `default` と同等です  
        print ( f "文字{ letter }は母音ではありません!" )

多くの言語では、例外処理に switch 文の形式を実装しています。ブロック内で例外が発生した場合、例外に応じて別の分岐が選択されます。例外が発生しない場合のデフォルト分岐が存在する場合もあります。初期の例としてはModula-3があり、それぞれがケースを定義するTRY...構文を使用しています。これはDelphi、Scala、Visual Basic .NETにも見られます。 EXCEPTEXCEPT

switch ステートメントの代替として、次のようなものがあります。

• 一度に 1 つの値をターゲットとして検査する一連のif-else 条件。フォールスルー動作は、 else句のない一連のif条件によって実現できます。
• ルックアップ テーブル。キーとしてcase値、値としてステートメントの下の部分が含まれますcase。

(一部の言語では、ルックアップ テーブルの値として実際のデータ型のみが許可されます。他の言語では、関数をルックアップ テーブルの値として割り当てることも可能で、実際のステートメントと同じ柔軟性が得られますswitch。詳細については、制御テーブルの記事を参照してください)。

Luaはcase/switch文をサポートしていません。^[15]この検索テクニックは、switch組み込みの を持たないLua言語で文を実装する1つの方法ですswitch。^[15]

場合によっては、テーブル検索は最適化されていないステートメントよりも効率的です。これは、多くの言語がテーブル検索を最適化できるのに対し、スイッチ ステートメントは、値の範囲が狭くギャップがほとんどない場合を除いて最適化されないためです。ただし、最適化されていない非バイナリ検索検索 switchは、最適化されていないスイッチまたは同等の複数のif-elseステートメントよりも確実に遅くなります。^{[引用が必要]}

• 制御テーブル(単純なルックアップ テーブルとして実装される場合もあります) は、必要に応じて複数の入力に対する複数の条件に対応するようにカスタマイズすることもでき、通常は同等のスイッチ (多くのステートメントを占有する場合があります) よりも「視覚的にコンパクト」になります。
• 多くの関数型言語でスイッチのような機能を実装するために使用されるパターン マッチング。

• アルゴリズムの効率
• ブランチテーブル
• 制御テーブル
• ダフの装置
• インデックスマッピング

• スティーブン・クリーネ、1952年（1991年第10版）、メタ数学入門、ノースホランド出版社、アムステルダムNL、ISBN 0-7204-2103-9 
• George Boolos、John Burgess、Richard Jeffrey、2002、「Computability and Logic: Fourth Edition」、Cambridge University Press、Cambridge UK、ISBN 0-521-00758-5ペーパーバック。74-75 ページを参照。