C# 模式匹配完全指南

2022-03-04 12:09:42 +08:00
 hez2010

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：

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。

模式匹配可以通过 switch 表达式来使用，也可以在普通的 switch 语句中作为 case 使用，还可以在 if 条件中通过 is 来使用。本文主要在 switch 表达式中使用模式匹配。

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<T> where T : IBinaryNumber<T>
{
    public abstract T Eval(params (string Name, T Value)[] args);
}

我们用上面这个 Expr<T> 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<T> where T : IBinaryNumber<T>
{
    public class ConstantExpr : Expr<T>
    {
        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<T> where T : IBinaryNumber<T>
{
    public class ParameterExpr : Expr<T>
    {
        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：

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<T> where T : IBinaryNumber<T>
{
    public class UnaryExpr : Expr<T>
    {
        public UnaryExpr(UnaryOperator op, Expr<T> expr) => (Op, Expr) = (op, expr);

        public UnaryOperator Op { get; }
        public Expr<T> Expr { get; }
        public void Deconstruct(out UnaryOperator op, out Expr<T> 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<T> where T : IBinaryNumber<T>
{
    public class BinaryExpr : Expr<T>
    {
        public BinaryExpr(BinaryOperator op, Expr<T> left, Expr<T> right) => (Op, Left, Right) = (op, left, right);

        public BinaryOperator Op { get; }
        public Expr<T> Left { get; }
        public Expr<T> Right { get; }
        public void Deconstruct(out BinaryOperator op, out Expr<T> left, out Expr<T> 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<T> where T : IBinaryNumber<T>
{
    public class TernaryExpr : Expr<T>
    {
        public TernaryExpr(Expr<T> cond, Expr<T> left, Expr<T> right) => (Cond, Left, Right) = (cond, left, right);

        public Expr<T> Cond { get; }
        public Expr<T> Left { get; }
        public Expr<T> Right { get; }
        public void Deconstruct(out Expr<T> cond, out Expr<T> left, out Expr<T> 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);
    }
}

完成。我们用了仅仅几十行代码就完成了全部的核心逻辑！这便是模式匹配的强大之处：简洁、直观且高效。

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 bool Equals(object? obj) => obj is BinaryExpr({ Operator: var op }, var left, var right) && (op, left, right).Equals((Op.Operator, Left, Right));
public override int GetHashCode() => (Op, Left, Right).GetHashCode();

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<T> 的运算符方便我们使用：

public static Expr<T> operator ~(Expr<T> operand) => new UnaryExpr(new(Operators.Inv), operand);
public static Expr<T> operator !(Expr<T> operand) => new UnaryExpr(new(Operators.LogicalNot), operand);
public static Expr<T> operator -(Expr<T> operand) => new UnaryExpr(new(Operators.Min), operand);
public static Expr<T> operator +(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.Add), left, right);
public static Expr<T> operator -(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.Sub), left, right);
public static Expr<T> operator *(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.Mul), left, right);
public static Expr<T> operator /(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.Div), left, right);
public static Expr<T> operator &(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.And), left, right);
public static Expr<T> operator |(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.Or), left, right);
public static Expr<T> operator ^(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.Xor), left, right);
public static Expr<T> operator >(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.Gt), left, right);
public static Expr<T> operator <(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.Lt), left, right);
public static Expr<T> operator >=(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.Ge), left, right);
public static Expr<T> operator <=(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.Le), left, right);
public static Expr<T> operator ==(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.Eq), left, right);
public static Expr<T> operator !=(Expr<T> left, Expr<T> right) => new BinaryExpr(new(Operators.Ne), left, right);
public static implicit operator Expr<T>(T value) => new ConstantExpr(value);
public static implicit operator Expr<T>(string name) => new ParameterExpr(name);
public static implicit operator Expr<T>(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<T> Switch<T>(this Expr<T> cond, Expr<T> left, Expr<T> right) where T : IBinaryNumber<T> => new Expr<T>.TernaryExpr(cond, left, right);
    public static string? GetName<T>(this T op) where T : Enum => typeof(T).GetMember(op.ToString()).FirstOrDefault()?.GetCustomAttribute<DescriptionAttribute>()?.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<string>();
    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<T> 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<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());

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<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<T>(this T value) where T : IBinaryInteger<T> => 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

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4 条回复
kop1989smurf
2022-03-04 13:12:09 +08:00
学习了，用 C#写东西也十来年了，还真没用过模式匹配。
能不能说说这种方式和普通的遍历判断(foreach...if...)的性能区别？
rwecho
2022-03-04 13:44:12 +08:00
@kop1989smurf 没区别，编译之后一样的
hez2010
2022-03-04 14:16:58 +08:00
@kop1989smurf 编译之后没什么区别，但是模式匹配编译出来的东西是经过分支合并和优化的，你自己写的不一定能有编译器编译出来的效率高。不过当然也可以花费更多精力来写和模式匹配效率一样的代码，但是自己写更容易陷入各种循环和条件中导致出错，而模式匹配的行为则一目了然。
INCerry
2022-03-08 21:20:49 +08:00
顶一个

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