Como isso funciona é detalhe de implementação, não é especificado e você não pode se valer disto para fazer algo que só funcione se for implementado de uma forma específica.

O que nós sabemos é que o compilador faz o melhor possível para otimizar o seu uso.Nem sempre ele consegue ou é viável, por isso não há garantias do que ocorrerá. Ele pode funcionar de forma análoga ao `if` em alguns casos, mesmo que não exatamente da mesma forma.

Mas ele vai tentar gerar uma tabela de desvios ([*branch table*][1]). Com isso ele precisa fazer só uma comparação e pode achar o endereço que ele deve dar um salto na execução de acordo com uma tabela, mais ou menos como um *array*.

- Obviamente precisa ser uma comparação simples com dados simples,
- deve ser denso, ou seja, não pode ter muitas lacunas entre os valores possíveis. Mesmo que não tenha algo a executar para um valor no meio da sequência, ele precisa criar um espaço na tabela para ele. Se tiver muitas lacunas o espaço ocupado pela tabela pode ser grande demais,
- precisa ter um número mínimo de opções para compensa a tabela,
- não ocorre desvios durante cada bloco de `case`.

Tem uma série de detalhes que pode variar em cada caso, mas a ideia é que uma busca que poderia levar tempo O(N), passe levar O(1). Obviamente que um bom compilador considera a arquitetura alvo e gera o código que é mais adequado para ela.

Internamente ele funciona muito como um polimorfismo.

Não ligue para os detalhes não importantes para esse assunto nos códigos abaixo.

Se criarmos um `switch` para pegar nomes de meses poderemos ver qual o Assembly gerado:

    #include <string.h>
    #include <stdlib.h>
    char *mes(int i) {
      char *texto = (char *)malloc(10);
        switch (i) {
          case 0:
            strcpy(texto, "janeiro");
            break;
          case 1:
            strcpy(texto, "fevereiro");
            break;
          case 2:
            strcpy(texto, "marco");
            break;
          case 3:
            strcpy(texto, "abril");
            break;
          case 4:
            strcpy(texto, "maio");
            break;
          case 5:
            strcpy(texto, "junho");
            break;
          case 6:
            strcpy(texto, "julho");
            break;
          case 7:
            strcpy(texto, "agosto");
            break;
          case 8:
            strcpy(texto, "setembro");
            break;
          case 9:
            strcpy(texto, "outubro");
            break;
          case 10:
            strcpy(texto, "novembro");
            break;
          case 11:
            strcpy(texto, "dezembro");
            break;
        }
        return texto;
    }

Veja [o Assembly gerado no GodBolt][2].

Aqui ele faz a compração uma vez e acha o endereço na tabela:

        cmp     DWORD PTR [rbp-20], 11
        ja      .L2
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-20]
        mov     rax, QWORD PTR .L4[0+rax*8]
        jmp     rax

Logo abaixo está a tabela e em seguida os blocos de código que devem ser executados.

Se fizer um `if` haverá uma comparação para cada valor:

    #include <string.h>
    #include <stdlib.h>
    
    char *mes(int i) {
      char *texto = (char *)malloc(10);
        if (i == 0) {
          strcpy(texto, "janeiro");
        } else if (i == 1) {
          strcpy(texto, "fevereiro");
        } else if (i == 2) {
          strcpy(texto, "marco");
        } else if (i == 3) {
          strcpy(texto, "abril");
        } else if (i == 4) {
          strcpy(texto, "maio");
        } else if (i == 5) {
          strcpy(texto, "junho");
        } else if (i == 6) {
          strcpy(texto, "julho");
        } else if (i == 7) {
          strcpy(texto, "agosto");
        } else if (i == 8) {
          strcpy(texto, "setembro");
        } else if (i == 9) {
          strcpy(texto, "outubro");
        } else if (i == 10) {
          strcpy(texto, "novembro");
        } else if (i == 11) {
          strcpy(texto, "dezembro");
        }
        return texto;
    }

Veja [o Assembly gerado no GodBolt][3].

Pode [ver o código se tiver poucas opções][4]. Não otimiza tanto.

Agrupar `cases` não é um problema e otimiza, como [pode ser visto no código][5].

Já ter muitas lacunas é um problema e praticamente transforma no código do `if`. [Veja como fica][6].

Mas esse código fica melhor se for um *array* mesmo. [Veja como é mais simples][7].

Você pode estar pensando que só pode usar um *array* se for para pegar um valor simples e guardar em algum lugar. Na verdade é possível fazer o mesmo com blocos de código em função e chamar cada função de acordo com o valor de busca, a tabela seria dos endereços das funções.

O GCC tem até uma [forma mais explícita de fazer isto][8], mas não funciona em outros compiladores.

#Conclusão

Então é isso, a performance costuma ser melhor. Mas mais do que a performance deve preferir ele sempre que ele fizer sentido, sempre que for uma sequência a ser analisada. Isso valor para números, caracteres, enumerações, ou outras formas que se resumem a números simples.

O mesmo vale para muitas linguagens que prezam pela performance. Tem linguagem que tem isso mais para enfeite mesmo, ou mais para dar uma sintaxe mais adequada e não traz muita vantagem interna. Mas de forma geral ele não é só porque é mais "bonitinho", ele tem uma função própria e se for usado corretamente não tem desvantagens.

Não use onde não precisa, não tenha medo onde ele é adequado.


  [1]: https://en.wikipedia.org/wiki/Branch_table
  [2]: https://godbolt.org/g/nbtWdf
  [3]: https://godbolt.org/g/6iRLHM
  [4]: https://godbolt.org/g/ogvx5f
  [5]: https://godbolt.org/g/uYzmoX
  [6]: https://godbolt.org/g/5YOiDJ
  [7]: https://godbolt.org/g/KHBhde
  [8]: https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Labels-as-Values.html