C#模式匹配入門指南

C# 11 支持的模式有很多，包含：

• 聲明模式（declaration pattern）
• 類型模式（type pattern）
• 常數(shù)模式（constant pattern）
• 關(guān)系模式（relational pattern）
• 邏輯模式（logical pattern）
• 屬性模式（property pattern）
• 位置模式（positional pattern）
• var 模式（var pattern）
• 丟棄模式（discard pattern）
• 列表模式（list pattern）
• 切片模式（slice pattern）

而其中，不少模式都支持遞歸，也就意味著可以模式嵌套模式，以此來實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大的匹配功能。

模式匹配可以通過switch表達(dá)式來使用，也可以在普通的switch語句中作為case使用，還可以在if條件中通過is來使用。本文主要在switch表達(dá)式中使用模式匹配。

那么接下來就對這些模式進(jìn)行介紹。

實(shí)例：表達(dá)式計算器

為了更直觀地介紹模式匹配，我們接下來利用模式匹配來編寫一個表達(dá)式計算器。

為了編寫表達(dá)式計算器，首先我們需要對表達(dá)式進(jìn)行抽象：

publicabstractpartialclassExpr<T>whereT:IBinaryNumber<T>
{
publicabstractTEval(params(stringName,TValue)[]args);
}

我們用上面這個Expr來表示一個表達(dá)式，其中T是操作數(shù)的類型，然后進(jìn)一步將表達(dá)式分為常數(shù)表達(dá)式ConstantExpr、參數(shù)表達(dá)式ParameterExpr、一元表達(dá)式UnaryExpr、二元表達(dá)式BinaryExpr和三元表達(dá)式TernaryExpr。最后提供一個Eval方法，用來計算表達(dá)式的值，該方法可以傳入一個args來提供表達(dá)式計算所需要的參數(shù)。

有了一、二元表達(dá)式自然也需要運(yùn)算符，例如加減乘除等，我們也同時定義Operator來表示運(yùn)算符：

publicabstractrecordOperator
{
publicrecordUnaryOperator(OperatorsOperator):Operator;
publicrecordBinaryOperator(BinaryOperatorsOperator):Operator;
}

然后設(shè)置允許的運(yùn)算符，其中前三個是一元運(yùn)算符，后面的是二元運(yùn)算符：

publicenumOperators
{
[Description("~")]Inv,[Description("-")]Min,[Description("!")]LogicalNot,
[Description("+")]Add,[Description("-")]Sub,[Description("*")]Mul,[Description("/")]Div,
[Description("&")]And,[Description("|")]Or,[Description("^")]Xor,
[Description("==")]Eq,[Description("!=")]Ne,
[Description(">")]Gt,[Description("<")]Lt,[Description(">=")]Ge,[Description("<=")]Le,
[Description("&&")]LogicalAnd,[Description("||")]LogicalOr,
}

你可以能會好奇對T的運(yùn)算能如何實(shí)現(xiàn)邏輯與或非，關(guān)于這一點(diǎn)，我們直接使用0來代表false，非0代表true。

接下來就是分別實(shí)現(xiàn)各類表達(dá)式的時間！

常數(shù)表達(dá)式

常數(shù)表達(dá)式很簡單，它保存一個常數(shù)值，因此只需要在構(gòu)造方法中將用戶提供的值存儲下來。它的Eval實(shí)現(xiàn)也只需要簡單返回存儲的值即可：

publicabstractpartialclassExpr<T>whereT:IBinaryNumber<T>
{
publicclassConstantExpr:Expr<T>
{
publicConstantExpr(Tvalue)=>Value=value;

publicTValue{get;}
publicvoidDeconstruct(outTvalue)=>value=Value;

publicoverrideTEval(params(stringName,TValue)[]args)=>Value;
}
}

參數(shù)表達(dá)式

參數(shù)表達(dá)式用來定義表達(dá)式計算過程中的參數(shù)，允許用戶在對表達(dá)式執(zhí)行Eval計算結(jié)果的時候傳參，因此只需要存儲參數(shù)名。它的Eval實(shí)現(xiàn)需要根據(jù)參數(shù)名在args中找出對應(yīng)的參數(shù)值：

publicabstractpartialclassExpr<T>whereT:IBinaryNumber<T>
{
publicclassParameterExpr:Expr<T>
{
publicParameterExpr(stringname)=>Name=name;

publicstringName{get;}
publicvoidDeconstruct(outstringname)=>name=Name;

//對args進(jìn)行模式匹配
publicoverrideTEval(params(stringName,TValue)[]args)=>argsswitch
{
//如果args有至少一個元素，那我們把第一個元素拿出來存為(name,value)，
//然后判斷 name 是否和本參數(shù)表達(dá)式中存儲的參數(shù)名 Name 相同。
//如果相同則返回 value，否則用 args 除去第一個元素剩下的參數(shù)繼續(xù)匹配。
[var(name,value),..vartail]=>name==Name?value:Eval(tail),
//如果args是空列表，則說明在args中沒有找到名字和Name相同的參數(shù)，拋出異常
[]=>thrownewInvalidOperationException($"Expectedanargumentnamed{Name}.")
};
}
}

模式匹配會從上往下依次進(jìn)行匹配，直到匹配成功為止。

上面的代碼中你可能會好奇[var (name, value), .. var tail]是個什么模式，這個模式整體看是列表模式，并且列表模式內(nèi)組合使用聲明模式、位置模式和切片模式。例如：

• []：匹配一個空列表。
• [1, _, 3]：匹配一個長度是 3，并且首尾元素分別是 1、3 的列表。其中_是丟棄模式，表示任意元素。
• [_, .., 3]：匹配一個末元素是 3，并且 3 不是首元素的列表。其中..是切片模式，表示任意切片。
• [1, ..var tail]：匹配一個首元素是 1 的列表，并且將除了首元素之外元素的切片賦值給tail。其中var tail是var模式，用于將匹配結(jié)果賦值給變量。
• [var head, ..var tail]：匹配一個列表，將它第一個元素賦值給head，剩下元素的切片賦值給tail，這個切片里可以沒有元素。
• [var (name, value), ..var tail]：匹配一個列表，將它第一個元素賦值給(name, value)，剩下元素的切片賦值給tail，這個切片里可以沒有元素。其中(name, value)是位置模式，用于將第一個元素的解構(gòu)結(jié)果根據(jù)位置分別賦值給name和value，也可以寫成(var name, var value)。

一元表達(dá)式

一元表達(dá)式用來處理只有一個操作數(shù)的計算，例如非、取反等。

publicabstractpartialclassExpr<T>whereT:IBinaryNumber<T>
{
publicclassUnaryExpr:Expr<T>
{
publicUnaryExpr(UnaryOperatorop,Exprexpr)=>(Op,Expr)=(op,expr);

publicUnaryOperatorOp{get;}
publicExprExpr{get;}
publicvoidDeconstruct(outUnaryOperatorop,outExprexpr)=>(op,expr)=(Op,Expr);

//對Op進(jìn)行模式匹配
publicoverrideTEval(params(stringName,TValue)[]args)=>Opswitch
{
//如果Op是UnaryOperator，則將其解構(gòu)結(jié)果賦值給op，然后對op進(jìn)行匹配，op是一個枚舉，而.NET中的枚舉值都是整數(shù)
UnaryOperator(varop)=>opswitch
{
//如果op是Operators.Inv
Operators.Inv=>~Expr.Eval(args),
//如果op是Operators.Min
Operators.Min=>-Expr.Eval(args),
//如果op是Operators.LogicalNot
Operators.LogicalNot=>Expr.Eval(args)==T.Zero?T.One:T.Zero,
//如果op的值大于LogicalNot或者小于0，表示不是一元運(yùn)算符
>Operators.LogicalNotor0=>thrownewInvalidOperationException($"Expectedanunaryoperator,butgot{op}.")
},
//如果Op不是UnaryOperator
_=>thrownewInvalidOperationException("Expectedanunaryoperator.")
};
}
}

上面的代碼中，首先利用了 C# 元組可作為左值的特性，分別使用一行代碼就做完了構(gòu)造方法和解構(gòu)方法的賦值：(Op, Expr) = (op, expr)和(op, expr) = (Op, Expr)。如果你好奇能否利用這個特性交換多個變量，答案是可以！

在Eval中，首先將類型模式、位置模式和聲明模式組合成UnaryOperator(var op)，表示匹配UnaryOperator類型、并且能解構(gòu)出一個元素的東西，如果匹配則將解構(gòu)出來的那個元素賦值給op。

然后我們接著對解構(gòu)出來的op進(jìn)行匹配，這里用到了常數(shù)模式，例如Operators.Inv用來匹配op是否是Operators.Inv。常數(shù)模式可以使用各種常數(shù)對對象進(jìn)行匹配。

這里的> Operators.LogicalNot和< 0則是關(guān)系模式，分別用于匹配大于Operators.LogicalNot的值和小于0的指。然后利用邏輯模式or將兩個模式組合起來表示或的關(guān)系。邏輯模式除了or之外還有and和not。

由于我們在上面窮舉了枚舉中所有的一元運(yùn)算符，因此也可以將> Operators.LogicalNot or < 0換成丟棄模式_或者 var 模式var foo，兩者都用來匹配任意的東西，只不過前者匹配到后直接丟棄，而后者聲明了個變量foo將匹配到的值放到里面：

opswitch
{
//...
_=>thrownewInvalidOperationException($"Expectedanunaryoperator,butgot{op}.")
}

或

opswitch
{
//...
varfoo=>thrownewInvalidOperationException($"Expectedanunaryoperator,butgot{foo}.")
}

二元表達(dá)式

二元表達(dá)式用來表示操作數(shù)有兩個的表達(dá)式。有了一元表達(dá)式的編寫經(jīng)驗(yàn)，二元表達(dá)式如法炮制即可。

publicabstractpartialclassExpr<T>whereT:IBinaryNumber<T>
{
publicclassBinaryExpr:Expr<T>
{
publicBinaryExpr(BinaryOperatorop,Exprleft,Exprright)=>(Op,Left,Right)=(op,left,right);

publicBinaryOperatorOp{get;}
publicExprLeft{get;}
publicExprRight{get;}
publicvoidDeconstruct(outBinaryOperatorop,outExprleft,outExprright)=>(op,left,right)=(Op,Left,Right);

publicoverrideTEval(params(stringName,TValue)[]args)=>Opswitch
{
BinaryOperator(varop)=>opswitch
{
Operators.Add=>Left.Eval(args)+Right.Eval(args),
Operators.Sub=>Left.Eval(args)-Right.Eval(args),
Operators.Mul=>Left.Eval(args)*Right.Eval(args),
Operators.Div=>Left.Eval(args)/Right.Eval(args),
Operators.And=>Left.Eval(args)&Right.Eval(args),
Operators.Or=>Left.Eval(args)|Right.Eval(args),
Operators.Xor=>Left.Eval(args)^Right.Eval(args),
Operators.Eq=>Left.Eval(args)==Right.Eval(args)?T.One:T.Zero,
Operators.Ne=>Left.Eval(args)!=Right.Eval(args)?T.One:T.Zero,
Operators.Gt=>Left.Eval(args)>Right.Eval(args)?T.One:T.Zero,
Operators.Lt=>Left.Eval(args)Left.Eval(args)>=Right.Eval(args)?T.One:T.Zero,
Operators.Le=>Left.Eval(args)<=?Right.Eval(args)???T.One?:?T.Zero,
????????????????Operators.LogicalAnd?=>Left.Eval(args)==T.Zero||Right.Eval(args)==T.Zero?T.Zero:T.One,
Operators.LogicalOr=>Left.Eval(args)==T.Zero&&Right.Eval(args)==T.Zero?T.Zero:T.One,
Operators.LogicalOr=>thrownewInvalidOperationException($"Unexpectedabinaryoperator,butgot{op}.")
},
_=>thrownewInvalidOperationException("Unexpectedabinaryoperator.")
};
}
}

同理，也可以將< Operators.Add or > Operators.LogicalOr換成丟棄模式或者 var 模式。

三元表達(dá)式

三元表達(dá)式包含三個操作數(shù)：條件表達(dá)式Cond、為真的表達(dá)式Left、為假的表達(dá)式Right。該表達(dá)式中會根據(jù)Cond是否為真來選擇取Left還是Right，實(shí)現(xiàn)起來較為簡單：

publicabstractpartialclassExpr<T>whereT:IBinaryNumber<T>
{
publicclassTernaryExpr:Expr<T>
{
publicTernaryExpr(Exprcond,Exprleft,Exprright)=>(Cond,Left,Right)=(cond,left,right);

publicExprCond{get;}
publicExprLeft{get;}
publicExprRight{get;}
publicvoidDeconstruct(outExprcond,outExprleft,outExprright)=>(cond,left,right)=(Cond,Left,Right);

publicoverrideTEval(params(stringName,TValue)[]args)=>Cond.Eval(args)==T.Zero?Right.Eval(args):Left.Eval(args);
}
}

完成。我們用了僅僅幾十行代碼就完成了全部的核心邏輯！這便是模式匹配的強(qiáng)大之處：簡潔、直觀且高效。

表達(dá)式判等

至此為止，我們已經(jīng)完成了所有的表達(dá)式構(gòu)造、解構(gòu)和計算的實(shí)現(xiàn)。接下來我們?yōu)槊恳粋€表達(dá)式實(shí)現(xiàn)判等邏輯，即判斷兩個表達(dá)式（字面上）是否相同。

例如a == b ? 2 : 4和a == b ? 2 : 5不相同，a == b ? 2 : 4和c == d ? 2 : 4不相同，而a == b ? 2 : 4和a == b ? 2 : 4相同。

為了實(shí)現(xiàn)該功能，我們重寫每一個表達(dá)式的Equals和GetHashCode方法。

常數(shù)表達(dá)式

常數(shù)表達(dá)式判等只需要判斷常數(shù)值是否相等即可：

publicoverrideboolEquals(object?obj)=>objisConstantExpr(varvalue)&&value==Value;
publicoverrideintGetHashCode()=>Value.GetHashCode();

參數(shù)表達(dá)式

參數(shù)表達(dá)式判等只需要判斷參數(shù)名是否相等即可：

publicoverrideboolEquals(object?obj)=>objisParameterExpr(varname)&&name==Name;
publicoverrideintGetHashCode()=>Name.GetHashCode();

一元表達(dá)式

一元表達(dá)式判等，需要判斷被比較的表達(dá)式是否是一元表達(dá)式，如果也是的話則判斷運(yùn)算符和操作數(shù)是否相等：

publicoverrideboolEquals(object?obj)=>objisUnaryExpr({Operator:varop},varexpr)&&(op,expr).Equals((Op.Operator,Expr));
publicoverrideintGetHashCode()=>(Op,Expr).GetHashCode();

上面的代碼中用到了屬性模式{ Operator: var op }，用來匹配屬性的值，這里直接組合了聲明模式將屬性Operator的值賦值給了expr。另外，C# 中的元組可以組合起來進(jìn)行判等操作，因此不需要寫op.Equals(Op.Operator) && expr.Equals(Expr)，而是可以直接寫(op, expr).Equals((Op.Operator, Expr))。

二元表達(dá)式

和一元表達(dá)式差不多，區(qū)別在于這次多了一個操作數(shù)：

publicoverrideboolEquals(object?obj)=>objisBinaryExpr({Operator:varop},varleft,varright)&&(op,left,right).Equals((Op.Operator,Left,Right));
publicoverrideintGetHashCode()=>(Op,Left,Right).GetHashCode();

三元表達(dá)式

和二元表達(dá)式差不多，只不過運(yùn)算符Op變成了操作數(shù)Cond：

publicoverrideboolEquals(object?obj)=>objisTernaryExpr(varcond,varleft,varright)&&cond.Equals(Cond)&&left.Equals(Left)&&right.Equals(Right);
publicoverrideintGetHashCode()=>(Cond,Left,Right).GetHashCode();

到此為止，我們?yōu)樗械谋磉_(dá)式都實(shí)現(xiàn)了判等。

一些工具方法

我們重載一些Expr的運(yùn)算符方便我們使用：

publicstaticExproperator~(Exproperand)=>newUnaryExpr(new(Operators.Inv),operand);
publicstaticExproperator!(Exproperand)=>newUnaryExpr(new(Operators.LogicalNot),operand);
publicstaticExproperator-(Exproperand)=>newUnaryExpr(new(Operators.Min),operand);
publicstaticExproperator+(Exprleft,Exprright)=>newBinaryExpr(new(Operators.Add),left,right);
publicstaticExproperator-(Exprleft,Exprright)=>newBinaryExpr(new(Operators.Sub),left,right);
publicstaticExproperator*(Exprleft,Exprright)=>newBinaryExpr(new(Operators.Mul),left,right);
publicstaticExproperator/(Exprleft,Exprright)=>newBinaryExpr(new(Operators.Div),left,right);
publicstaticExproperator&(Exprleft,Exprright)=>newBinaryExpr(new(Operators.And),left,right);
publicstaticExproperator|(Exprleft,Exprright)=>newBinaryExpr(new(Operators.Or),left,right);
publicstaticExproperator^(Exprleft,Exprright)=>newBinaryExpr(new(Operators.Xor),left,right);
publicstaticExproperator>(Exprleft,Exprright)=>newBinaryExpr(new(Operators.Gt),left,right);
publicstaticExproperator<(Expr?left,?Expr?right)?=>newBinaryExpr(new(Operators.Lt),left,right);
publicstaticExproperator>=(Exprleft,Exprright)=>newBinaryExpr(new(Operators.Ge),left,right);
publicstaticExproperator<=(Expr?left,?Expr?right)?=>newBinaryExpr(new(Operators.Le),left,right);
publicstaticExproperator==(Exprleft,Exprright)=>newBinaryExpr(new(Operators.Eq),left,right);
publicstaticExproperator!=(Exprleft,Exprright)=>newBinaryExpr(new(Operators.Ne),left,right);
publicstaticimplicitoperatorExpr(Tvalue)=>newConstantExpr(value);
publicstaticimplicitoperatorExpr(stringname)=>newParameterExpr(name);
publicstaticimplicitoperatorExpr(boolvalue)=>newConstantExpr(value?T.One:T.Zero);

publicoverrideboolEquals(object?obj)=>base.Equals(obj);
publicoverrideintGetHashCode()=>base.GetHashCode();

由于重載了==和!=，編譯器為了保險起見提示我們重寫Equals和GetHashCode，這里實(shí)際上并不需要重寫，因此直接調(diào)用base上的方法保持默認(rèn)行為即可。

然后編寫兩個擴(kuò)展方法用來方便構(gòu)造三元表達(dá)式，和從Description中獲取運(yùn)算符的名字：

publicstaticclassExtensions
{
publicstaticExprSwitch(thisExprcond,Exprleft,Exprright)whereT:IBinaryNumber=>newExpr.TernaryExpr(cond,left,right);
publicstaticstring?GetName(thisTop)whereT:Enum=>typeof(T).GetMember(op.ToString()).FirstOrDefault()?.GetCustomAttribute()?.Description;
}

由于有參數(shù)表達(dá)式參與時需要我們提前提供參數(shù)值才能調(diào)用Eval進(jìn)行計算，因此我們寫一個交互式的Eval來在計算過程中遇到參數(shù)表達(dá)式時提示用戶輸入值，起名叫做InteractiveEval：

publicTInteractiveEval()
{
varnames=Array.Empty<string>();
returnEval(GetArgs(this,refnames,refnames));
}
privatestaticTGetArg(stringname,refstring[]names)
{
Console.Write($"Parameter{name}:");
string?str;
do{str=Console.ReadLine();}
while(strisnull);
names=names.Append(name).ToArray();
returnT.Parse(str,NumberStyles.Number,null);
}
privatestatic(stringName,TValue)[]GetArgs(Exprexpr,refstring[]assigned,refstring[]filter)=>exprswitch
{
TernaryExpr(varcond,varleft,varright)=>GetArgs(cond,refassigned,refassigned).Concat(GetArgs(left,refassigned,refassigned)).Concat(GetArgs(right,refassigned,refassigned)).ToArray(),
BinaryExpr(_,varleft,varright)=>GetArgs(left,refassigned,refassigned).Concat(GetArgs(right,refassigned,refassigned)).ToArray(),
UnaryExpr(_,varuexpr)=>GetArgs(uexpr,refassigned,refassigned),
ParameterExpr(varname)=>filterswitch
{
[varhead,..]whenhead==name=>Array.Empty<(stringName,TValue)>(),
[_,..vartail]=>GetArgs(expr,refassigned,reftail),
[]=>new[]{(name,GetArg(name,refassigned))}
},
_=>Array.Empty<(stringName,TValue)>()
};

這里在GetArgs方法中，模式[var head, ..]后面跟了一個when head == name，這里的when用來給模式匹配指定額外的條件，僅當(dāng)條件滿足時才匹配成功，因此[var head, ..] when head == name的含義是，匹配至少含有一個元素的列表，并且將頭元素賦值給head，且僅當(dāng)head == name時匹配才算成功。

最后我們再重寫ToString方法方便輸出表達(dá)式，就全部大功告成了。

測試

接下來讓我測試測試我們編寫的表達(dá)式計算器：

Expr<int>a=4;
Expr<int>b=-3;
Expr<int>x="x";
Expr<int>c=!((a+b)*(a-b)>x);
Expr<int>y="y";
Expr<int>z="z";
Expr<int>expr=(c.Switch(y,z)-a>x).Switch(z+a,y/b);
Console.WriteLine(expr);
Console.WriteLine(expr.InteractiveEval());

運(yùn)行后得到輸出：

((((! ((((4) + (-3)) * ((4) - (-3))) > (x))) ? (y) : (z)) - (4)) > (x)) ? ((z) + (4)) : ((y) / (-3))

然后我們給x、y和z分別設(shè)置成 42、27 和 35，即可得到運(yùn)算結(jié)果：

Parameterx:42
Parametery:27
Parameterz:35
-9

再測測表達(dá)式判等邏輯：

Expr<int>expr1,expr2,expr3;
{
Expr<int>a=4;
Expr<int>b=-3;
Expr<int>x="x";
Expr<int>c=!((a+b)*(a-b)>x);
Expr<int>y="y";
Expr<int>z="z";
expr1=(c.Switch(y,z)-a>x).Switch(z+a,y/b);
}

{
Expr<int>a=4;
Expr<int>b=-3;
Expr<int>x="x";
Expr<int>c=!((a+b)*(a-b)>x);
Expr<int>y="y";
Expr<int>z="z";
expr2=(c.Switch(y,z)-a>x).Switch(z+a,y/b);
}

{
Expr<int>a=4;
Expr<int>b=-3;
Expr<int>x="x";
Expr<int>c=!((a+b)*(a-b)>x);
Expr<int>y="y";
Expr<int>w="w";
expr3=(c.Switch(y,w)-a>x).Switch(w+a,y/b);
}

Console.WriteLine(expr1.Equals(expr2));
Console.WriteLine(expr1.Equals(expr3));

得到輸出：

True
False

活動模式

在未來，C# 將會引入活動模式，該模式允許用戶自定義模式匹配的方法，例如：

staticboolEven(thisTvalue)whereT:IBinaryInteger=>value%2==0;

上述代碼定義了一個T的擴(kuò)展方法Even，用來匹配value是否為偶數(shù)，于是我們便可以這么使用：

varx=3;
vary=xswitch
{
Even()=>"even",
_=>"odd"
};

此外，該模式還可以和解構(gòu)模式結(jié)合，允許用戶自定義解構(gòu)行為，例如：

staticboolInt(thisstringvalue,outintresult)=>int.TryParse(value,outresult);

然后使用的時候：

varx="3";
vary=xswitch
{
Int(varresult)=>result,
_=>0
};

即可對x這個字符串進(jìn)行匹配，如果x可以被解析為int，就取解析結(jié)果result，否則取 0。

總結(jié)

模式匹配極大的方便了我們編寫出簡潔且可讀性高的高質(zhì)量代碼，并且會自動幫我們做窮舉檢查，防止我們漏掉情況。此外，使用模式匹配時，編譯器也會幫我們優(yōu)化代碼，減少完成匹配所需要的比較次數(shù)，最終減少分支并提升運(yùn)行效率。

本文中的例子為了覆蓋到全部的模式，不一定采用了最優(yōu)的寫法，這一點(diǎn)各位讀者們也請注意。

來源：新機(jī)器視覺

審核編輯：湯梓紅