c# 模式匹配完全指南 -凯发k8官方网
前言
自从 2017 年 c# 7.0 版本开始引入声明模式和常数模式匹配开始，到 2022 年的 c# 11 为止，最后一个板块列表模式和切片模式匹配也已经补齐，当初计划的模式匹配内容已经基本全部完成。
c# 在模式匹配方面下一步计划则是支持活动模式（active pattern），这一部分将在本文最后进行介绍，而在介绍未来的模式匹配计划之前，本文主题是对截止 c# 11 模式匹配的（不）完全指南，希望能对各位开发者们提升代码编写效率、可读性和质量有所帮助。
模式匹配
要使用模式匹配，首先要了解什么是模式。在使用正则表达式匹配字符串时，正则表达式自己就是一个模式，而对字符串使用这段正则表达式进行匹配的过程就是模式匹配。而在代码中也是同样的，我们对对象采用某种模式进行匹配的过程就是模式匹配。
c# 11 支持的模式有很多，包含：
- 声明模式
- 类型模式
- 常数模式
- 关系模式
- 逻辑模式
- 属性模式
- 位置模式
- var 模式
- 丢弃模式
- 列表模式
- 切片模式
而其中，不少模式都支持递归，也就意味着可以模式嵌套模式，以此来实现更加强大的匹配功能。
那么接下来就对这些模式进行介绍。
实例：表达式计算器
为了更直观地介绍模式匹配，我们接下来利用模式匹配来编写一个表达式计算器。
为了编写表达式计算器，首先我们需要对表达式进行抽象：
public abstract partial class expr where t : ibinarynumber
{
public abstract t eval(params (string name, t value)[] args);
}
我们用上面这个 expr 来表示一个表达式，其中 t 是操作数的类型，然后进一步将表达式分为常数表达式 constantexpr、参数表达式 parameterexpr、一元表达式 unaryexpr、二元表达式 binaryexpr 和三元表达式 ternaryexpr。最后提供一个 eval 方法，用来计算表达式的值，该方法可以传入一个 args 来提供表达式计算所需要的参数。
有了一、二元表达式自然也需要运算符，例如加减乘除等，我们也同时定义 operator 来表示运算符：
public abstract record operator
{
public record unaryoperator(operators operator) : operator;
public record binaryoperator(binaryoperators operator) : operator;
}
然后设置允许的运算符，其中前三个是一元运算符，后面的是二元运算符：
public enum operators
{
[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,
}
你可以能会好奇对 t 的运算能如何实现逻辑与或非，关于这一点，我们直接使用 0 来代表 false，非 0 代表 true。
接下来就是分别实现各类表达式的时间！
常数表达式
常数表达式很简单，它保存一个常数值，因此只需要在构造方法中将用户提供的值存储下来。它的 eval 实现也只需要简单返回存储的值即可：
public abstract partial class expr where t : ibinarynumber
{
public class constantexpr : expr
{
public constantexpr(t value) => value = value;
public t value { get; }
public void deconstruct(out t value) => value = value;
public override t eval(params (string name, t value)[] args) => value;
}
}
参数表达式
参数表达式用来定义表达式计算过程中的参数，允许用户在对表达式执行 eval 计算结果的时候传参，因此只需要存储参数名。它的 eval 实现需要根据参数名在 args 中找出对应的参数值：
public abstract partial class expr where t : ibinarynumber
{
public class parameterexpr : expr
{
public parameterexpr(string name) => name = name;
public string name { get; }
public void deconstruct(out string name) => name = name;
// 对 args 进行模式匹配
public override t eval(params (string name, t value)[] args) => args switch
{
// 如果 args 有至少一个元素，那我们把第一个元素拿出来存为 (name, value)，
// 然后判断 name 是否和本参数表达式中存储的参数名 name 相同。
// 如果相同则返回 value，否则用 args 除去第一个元素剩下的参数继续匹配。
[var (name, value), .. var tail] => name == name ? value : eval(tail),
// 如果 args 是空列表，则说明在 args 中没有找到名字和 name 相同的参数，抛出异常
[] => throw new invalidoperationexception($"expected an argument named {name}.")
};
}
}
模式匹配会从上往下依次进行匹配，直到匹配成功为止。
上面的代码中你可能会好奇 [var (name, value), .. var tail] 是个什么模式，这个模式整体看是列表模式，并且列表模式内组合使用声明模式、位置模式和切片模式。例如：
[]：匹配一个空列表。[1, _, 3]：匹配一个长度是 3，并且首尾元素分别是 1、3 的列表。其中_是丢弃模式，表示任意元素。[_, .., 3]：匹配一个末元素是 3，并且 3 不是首元素的列表。其中..是切片模式，表示任意切片。[1, ..var tail]：匹配一个首元素是 1 的列表，并且将除了首元素之外元素的切片赋值给tail。其中var tail是var模式，用于将匹配结果赋值给变量。[var head, ..var tail]：匹配一个列表，将它第一个元素赋值给head，剩下元素的切片赋值给tail，这个切片里可以没有元素。[var (name, value), ..var tail]：匹配一个列表，将它第一个元素赋值给(name, value)，剩下元素的切片赋值给tail，这个切片里可以没有元素。其中(name, value)是位置模式，用于将第一个元素的解构结果根据位置分别赋值给name和value，也可以写成(var name, var value)。
一元表达式
一元表达式用来处理只有一个操作数的计算，例如非、取反等。
public abstract partial class expr where t : ibinarynumber
{
public class unaryexpr : expr
{
public unaryexpr(unaryoperator op, expr expr) => (op, expr) = (op, expr);
public unaryoperator op { get; }
public expr expr { get; }
public void deconstruct(out unaryoperator op, out expr expr) => (op, expr) = (op, expr);
// 对 op 进行模式匹配
public override t eval(params (string name, t value)[] args) => op switch
{
// 如果 op 是 unaryoperator，则将其解构结果赋值给 op，然后对 op 进行匹配，op 是一个枚举，而 .net 中的枚举值都是整数
unaryoperator(var op) => op switch
{
// 如果 op 是 operators.inv
operators.inv => ~expr.eval(args),
// 如果 op 是 operators.min
operators.min => -expr.eval(args),
// 如果 op 是 operators.logicalnot
operators.logicalnot => expr.eval(args) == t.zero ? t.one : t.zero,
// 如果 op 的值大于 logicalnot 或者小于 0，表示不是一元运算符
> operators.logicalnot or < 0 => throw new invalidoperationexception($"expected an unary operator, but got {op}.")
},
// 如果 op 不是 unaryoperator
_ => throw new invalidoperationexception("expected an unary operator.")
};
}
}
上面的代码中，首先利用了 c# 元组可作为左值的特性，分别使用一行代码就做完了构造方法和解构方法的赋值：(op, expr) = (op, expr) 和 (op, expr) = (op, expr)。如果你好奇能否利用这个特性交换多个变量，答案是可以！
在 eval 中，首先将类型模式、位置模式和声明模式组合成 unaryoperator(var op)，表示匹配 unaryoperator 类型、并且能解构出一个元素的东西，如果匹配则将解构出来的那个元素赋值给 op。
然后我们接着对解构出来的 op 进行匹配，这里用到了常数模式，例如 operators.inv 用来匹配 op 是否是 operators.inv。常数模式可以使用各种常数对对象进行匹配。
这里的 > operators.logicalnot 和 < 0 则是关系模式，分别用于匹配大于 operators.logicalnot 的值和小于 0 的指。然后利用逻辑模式 or 将两个模式组合起来表示或的关系。逻辑模式除了 or 之外还有 and 和 not。
由于我们在上面穷举了枚举中所有的一元运算符，因此也可以将 > operators.logicalnot or < 0 换成丢弃模式 _ 或者 var 模式 var foo，两者都用来匹配任意的东西，只不过前者匹配到后直接丢弃，而后者声明了个变量 foo 将匹配到的值放到里面：
op switch
{
// ...
_ => throw new invalidoperationexception($"expected an unary operator, but got {op}.")
}
或
op switch
{
// ...
var foo => throw new invalidoperationexception($"expected an unary operator, but got {foo}.")
}
二元表达式
二元表达式用来表示操作数有两个的表达式。有了一元表达式的编写经验，二元表达式如法炮制即可。
public abstract partial class expr where t : ibinarynumber
{
public class binaryexpr : expr
{
public binaryexpr(binaryoperator op, expr left, expr right) => (op, left, right) = (op, left, right);
public binaryoperator op { get; }
public expr left { get; }
public expr right { get; }
public void deconstruct(out binaryoperator op, out expr left, out expr right) => (op, left, right) = (op, left, right);
public override t eval(params (string name, t value)[] args) => op switch
{
binaryoperator(var op) => op switch
{
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) < right.eval(args) ? t.one : t.zero,
operators.ge => 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.add or > operators.logicalor => throw new invalidoperationexception($"unexpected a binary operator, but got {op}.")
},
_ => throw new invalidoperationexception("unexpected a binary operator.")
};
}
}
同理，也可以将 < operators.add or > operators.logicalor 换成丢弃模式或者 var 模式。
三元表达式
三元表达式包含三个操作数：条件表达式 cond、为真的表达式 left、为假的表达式 right。该表达式中会根据 cond 是否为真来选择取 left 还是 right，实现起来较为简单：
public abstract partial class expr where t : ibinarynumber
{
public class ternaryexpr : expr
{
public ternaryexpr(expr cond, expr left, expr right) => (cond, left, right) = (cond, left, right);
public expr cond { get; }
public expr left { get; }
public expr right { get; }
public void deconstruct(out expr cond, out expr left, out expr right) => (cond, left, right) = (cond, left, right);
public override t eval(params (string name, t value)[] args) => cond.eval(args) == t.zero ? right.eval(args) : left.eval(args);
}
}
表达式判等
至此为止，我们已经完成了所有的表达式构造、解构和计算的实现。接下来我们为每一个表达式实现判等逻辑，即判断两个表达式（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。
为了实现该功能，我们重写每一个表达式的 equals 和 gethashcode 方法。
常数表达式
常数表达式判等只需要判断常数值是否相等即可：
public override bool equals(object? obj) => obj is constantexpr(var value) && value == value;
public override int gethashcode() => value.gethashcode();
参数表达式
参数表达式判等只需要判断参数名是否相等即可：
public override bool equals(object? obj) => obj is parameterexpr(var name) && name == name;
public override int gethashcode() => name.gethashcode();
一元表达式
一元表达式判等，需要判断被比较的表达式是否是一元表达式，如果也是的话则判断运算符和操作数是否相等：
public override bool equals(object? obj) => obj is unaryexpr({ operator: var op }, var expr) && (op, expr).equals((op.operator, expr));
public override int gethashcode() => (op, expr).gethashcode();
上面的代码中用到了属性模式 { operator: var op }，用来匹配属性的值，这里直接组合了声明模式将属性 operator 的值赋值给了 expr。另外，c# 中的元组可以组合起来进行判等操作，因此不需要写 op.equals(op.operator) && expr.equals(expr)，而是可以直接写 (op, expr).equals((op.operator, expr))。
二元表达式
和一元表达式差不多，区别在于这次多了一个操作数：
public override string tostring() => $"({left}) {op.operator.getname()} ({right})";
public override bool equals(object? obj) => obj is binaryexpr({ operator: var op }, var left, var right) && (op, left, right).equals((op.operator, left, right));
三元表达式
和二元表达式差不多，只不过运算符 op 变成了操作数 cond：
public override bool equals(object? obj) => obj is ternaryexpr(var cond, var left, var right) && cond.equals(cond) && left.equals(left) && right.equals(right);
public override int gethashcode() => (cond, left, right).gethashcode();
到此为止，我们为所有的表达式都实现了判等。
一些工具方法
我们重载一些 expr 的运算符方便我们使用：
public static expr operator ~(expr operand) => new unaryexpr(new(operators.inv), operand);
public static expr operator !(expr operand) => new unaryexpr(new(operators.logicalnot), operand);
public static expr operator -(expr operand) => new unaryexpr(new(operators.min), operand);
public static expr operator (expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.add), left, right);
public static expr operator -(expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.sub), left, right);
public static expr operator *(expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.mul), left, right);
public static expr operator /(expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.div), left, right);
public static expr operator &(expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.and), left, right);
public static expr operator |(expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.or), left, right);
public static expr operator ^(expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.xor), left, right);
public static expr operator >(expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.gt), left, right);
public static expr operator <(expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.lt), left, right);
public static expr operator >=(expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.ge), left, right);
public static expr operator <=(expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.le), left, right);
public static expr operator ==(expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.eq), left, right);
public static expr operator !=(expr left, expr right) => new binaryexpr(new(operators.ne), left, right);
public static implicit operator expr(t value) => new constantexpr(value);
public static implicit operator expr(string name) => new parameterexpr(name);
public static implicit operator expr(bool value) => new constantexpr(value ? t.one : t.zero);
public override bool equals(object? obj) => base.equals(obj);
public override int gethashcode() => base.gethashcode();
由于重载了 == 和 !=，编译器为了保险起见提示我们重写 equals 和 gethashcode，这里实际上并不需要重写，因此直接调用 base 上的方法保持默认行为即可。
然后编写两个扩展方法用来方便构造三元表达式，和从 description 中获取运算符的名字：
public static class extensions
{
public static expr switch(this expr cond, expr left, expr right) where t : ibinarynumber => new expr.ternaryexpr(cond, left, right);
public static string? getname(this t op) where t : enum => typeof(t).getmember(op.tostring()).firstordefault()?.getcustomattribute()?.description;
}
由于有参数表达式参与时需要我们提前提供参数值才能调用 eval 进行计算，因此我们写一个交互式的 eval 来在计算过程中遇到参数表达式时提示用户输入值，起名叫做 interactiveeval：
public t interactiveeval()
{
var names = array.empty();
return eval(getargs(this, ref names, ref names));
}
private static t getarg(string name, ref string[] names)
{
console.write($"parameter {name}: ");
string? str;
do { str = console.readline(); }
while (str is null);
names = names.append(name).toarray();
return t.parse(str, numberstyles.number, null);
}
private static (string name, t value)[] getargs(expr expr, ref string[] assigned, ref string[] filter) => expr switch
{
ternaryexpr(var cond, var left, var right) => getargs(cond, ref assigned, ref assigned).concat(getargs(left, ref assigned,ref assigned)).concat(getargs(right, ref assigned, ref assigned)).toarray(),
binaryexpr(_, var left, var right) => getargs(left, ref assigned, ref assigned).concat(getargs(right, ref assigned, refassigned)).toarray(),
unaryexpr(_, var uexpr) => getargs(uexpr, ref assigned, ref assigned),
parameterexpr(var name) => filter switch
{
[var head, ..] when head == name => array.empty<(string name, t value)>(),
[_, .. var tail] => getargs(expr, ref assigned, ref tail),
[] => new[] { (name, getarg(name, ref assigned)) }
},
_ => array.empty<(string name, t value)>()
};
这里在 getargs 方法中，模式 [var head, ..] 后面跟了一个 when head == name，这里的 when 用来给模式匹配指定额外的条件，仅当条件满足时才匹配成功，因此 [var head, ..] when head == name 的含义是，匹配至少含有一个元素的列表，并且将头元素赋值给 head，且仅当 head == name 时匹配才算成功。
最后我们再重写 tostring 方法方便输出表达式，就全部大功告成了。
测试
接下来让我测试测试我们编写的表达式计算器：
expr a = 4;
expr b = -3;
expr x = "x";
expr c = !((a b) * (a - b) > x);
expr y = "y";
expr z = "z";
expr expr = (c.switch(y, z) - a > x).switch(z a, y / b);
console.writeline(expr);
console.writeline(expr.interactiveeval());
运行后得到输出：
((((! ((((4) (-3)) * ((4) - (-3))) > (x))) ? (y) : (z)) - (4)) > (x)) ? ((z) (4)) : ((y) / (-3))
然后我们给 x、y 和 z 分别设置成 42、27 和 35，即可得到运算结果：
parameter x: 42
parameter y: 27
parameter z: 35
-9
再测测表达式判等逻辑：
expr expr1, expr2, expr3;
{
expr a = 4;
expr b = -3;
expr x = "x";
expr c = !((a b) * (a - b) > x);
expr y = "y";
expr z = "z";
expr1 = (c.switch(y, z) - a > x).switch(z a, y / b);
}
{
expr a = 4;
expr b = -3;
expr x = "x";
expr c = !((a b) * (a - b) > x);
expr y = "y";
expr z = "z";
expr2 = (c.switch(y, z) - a > x).switch(z a, y / b);
}
{
expr a = 4;
expr b = -3;
expr x = "x";
expr c = !((a b) * (a - b) > x);
expr y = "y";
expr w = "w";
expr3 = (c.switch(y, w) - a > x).switch(w a, y / b);
}
console.writeline(expr1.equals(expr2));
console.writeline(expr1.equals(expr3));
得到输出：
true
false
活动模式
在未来，c# 将会引入活动模式，该模式允许用户自定义模式匹配的方法，例如：
static bool even(this t value) where t : ibinaryinteger => value % 2 == 0;
上述代码定义了一个 t 的扩展方法 even，用来匹配 value 是否为偶数，于是我们便可以这么使用：
var x = 3;
var y = x switch
{
even() => "even",
_ => "odd"
};
此外，该模式还可以和解构模式结合，允许用户自定义解构行为，例如：
static bool int(this string value, out int result) => int.tryparse(value, out result);
然后使用的时候：
var x = "3";
var y = x switch
{
int(var result) => result,
_ => 0
};
即可对 x 这个字符串进行匹配，如果 x 可以被解析为 int，就取解析结果 result，否则取 0。
后记
模式匹配极大的方便了我们编写出简洁且可读性高的高质量代码，并且会自动帮我们做穷举检查，防止我们漏掉情况。此外，使用模式匹配时，编译器也会帮我们优化代码，减少完成匹配所需要的比较次数，最终减少分支并提升运行效率。
本文中的例子为了覆盖到全部的模式，不一定采用了最优的写法，这一点各位读者们也请注意。
本文中的表达式计算器全部代码可以前往我的 github 仓库获取：https://github.com/hez2010/patternmatchingexpr
总结
以上是凯发k8官方网为你收集整理的c# 模式匹配完全指南的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。
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