C#中的模式匹配与switch表达式
模式匹配基础
模式匹配是 C# 7.0 引入的一项强大功能，它允许开发人员以更简洁、更具表现力的方式检查对象的结构和类型。模式匹配通过将输入值与特定模式进行比较，根据匹配结果执行不同的操作。这种功能在处理复杂的数据结构和条件逻辑时非常有用，能使代码更易读、更易于维护。
模式的类型
C# 中有几种不同类型的模式，包括：
- 常量模式：匹配一个常量值。例如，在
switch语句中，你可以匹配一个具体的数字或字符串。
int number = 5;
switch (number)
{
case 5:
Console.WriteLine("The number is 5");
break;
default:
Console.WriteLine("The number is not 5");
break;
}
在这个例子中，case 5就是一个常量模式。如果number的值等于5，就会执行相应的代码块。
- 类型模式：匹配特定的类型。这在处理多态对象时非常有用。
object obj = "Hello";
switch (obj)
{
case string s:
Console.WriteLine($"It's a string: {s}");
break;
case int i:
Console.WriteLine($"It's an integer: {i}");
break;
default:
Console.WriteLine("Unknown type");
break;
}
这里case string s和case int i是类型模式。obj对象首先被检查是否为string类型，如果是，s会被赋值为该字符串，然后执行相应代码块。
- var 模式：匹配任何值，并将该值绑定到一个新的变量。
object value = 10;
switch (value)
{
case var v:
Console.WriteLine($"The value is {v}");
break;
}
case var v匹配任何类型的值，并将值赋给v。在这个例子中，v将被赋值为10。
switch 表达式
switch表达式是 C# 8.0 引入的，它是对传统switch语句的一种增强，允许switch返回一个值。这使得代码更加简洁，尤其是在需要根据不同条件返回不同值的场景中。
基本语法
int number = 3;
string result = number switch
{
1 => "One",
2 => "Two",
3 => "Three",
_ => "Other"
};
Console.WriteLine(result);
在这个例子中，number switch是switch表达式的开始。每个case使用=>语法，右边是匹配该case时返回的值。_表示默认情况，类似于传统switch语句中的default。
与传统 switch 语句的对比
传统的switch语句主要用于执行不同的代码块，而switch表达式专注于返回值。例如，假设我们要根据月份返回该月的天数：
// 传统 switch 语句
int GetDaysInMonth(int month, int year)
{
int days;
switch (month)
{
case 1:
case 3:
case 5:
case 7:
case 8:
case 10:
case 12:
days = 31;
break;
case 4:
case 6:
case 9:
case 11:
days = 30;
break;
case 2:
days = DateTime.IsLeapYear(year)? 29 : 28;
break;
default:
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(month), "Month must be between 1 and 12");
}
return days;
}
使用switch表达式可以更简洁地实现相同功能：
// switch 表达式
int GetDaysInMonth(int month, int year) =>
month switch
{
1 or 3 or 5 or 7 or 8 or 10 or 12 => 31,
4 or 6 or 9 or 11 => 30,
2 => DateTime.IsLeapYear(year)? 29 : 28,
_ => throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(month), "Month must be between 1 and 12")
};
switch表达式使用or关键字来组合多个匹配条件，使代码更紧凑。
模式匹配与 switch 表达式的结合
模式匹配和switch表达式结合使用，可以实现非常强大和灵活的条件逻辑。
类型模式与 switch 表达式
假设我们有一个形状基类Shape，以及它的子类Circle和Rectangle：
public abstract class Shape { }
public class Circle : Shape
{
public double Radius { get; set; }
}
public class Rectangle : Shape
{
public double Width { get; set; }
public double Height { get; set; }
}
我们可以使用类型模式和switch表达式来计算不同形状的面积：
double CalculateArea(Shape shape) =>
shape switch
{
Circle c => Math.PI * c.Radius * c.Radius,
Rectangle r => r.Width * r.Height,
_ => throw new ArgumentException("Unsupported shape type", nameof(shape))
};
这里shape switch使用类型模式Circle c和Rectangle r，如果shape是Circle类型，c将被赋值为该Circle对象，然后计算圆的面积；如果是Rectangle类型，r将被赋值，计算矩形面积。
复合模式
C# 还支持复合模式，即可以在一个模式中组合多个条件。例如，我们可以匹配一个特定范围内的整数：
int num = 15;
string rangeResult = num switch
{
>= 1 and <= 10 => "In the range 1 - 10",
>= 11 and <= 20 => "In the range 11 - 20",
_ => "Outside the range"
};
Console.WriteLine(rangeResult);
在这个例子中，>= 1 and <= 10和>= 11 and <= 20是复合模式，使用and关键字组合了多个条件。如果num的值在相应范围内，就会返回对应的字符串。
位置模式
位置模式在解构对象时非常有用。例如，假设我们有一个表示二维点的结构体Point：
public struct Point
{
public int X { get; set; }
public int Y { get; set; }
public void Deconstruct(out int x, out int y)
{
x = X;
y = Y;
}
}
我们可以使用位置模式来匹配Point的不同位置：
Point point = new Point { X = 1, Y = 2 };
string pointResult = point switch
{
(0, 0) => "Origin",
(_, 0) => "On X-axis",
(0, _) => "On Y-axis",
_ => "Elsewhere"
};
Console.WriteLine(pointResult);
这里(0, 0)、(_, 0)和(0, _)是位置模式。(_, 0)表示Y坐标为0，X坐标任意（_表示忽略该值）。
在集合处理中的应用
模式匹配和switch表达式在集合处理中也有很好的应用场景。
处理列表中的元素
假设我们有一个包含不同类型形状的列表：
List<Shape> shapes = new List<Shape>
{
new Circle { Radius = 5 },
new Rectangle { Width = 4, Height = 6 }
};
foreach (var shape in shapes)
{
string description = shape switch
{
Circle c => $"Circle with radius {c.Radius}",
Rectangle r => $"Rectangle with width {r.Width} and height {r.Height}",
_ => "Unknown shape"
};
Console.WriteLine(description);
}
在这个循环中，通过switch表达式和类型模式，我们可以根据形状的具体类型生成相应的描述。
处理数组元素
对于数组，我们可以使用位置模式和switch表达式。例如，假设有一个包含三个整数的数组，我们想根据数组元素的值进行不同操作：
int[] numbers = { 1, 2, 3 };
string arrayResult = numbers switch
{
[1, _, 3] => "First is 1 and third is 3",
[_, 2, _] => "Second is 2",
_ => "Other combination"
};
Console.WriteLine(arrayResult);
这里[1, _, 3]和[_, 2, _]是针对数组的位置模式。[1, _, 3]表示数组第一个元素为1，第三个元素为3，第二个元素忽略。
模式匹配的高级特性
关系模式
关系模式允许你使用比较运算符（如<、>、<=、>=）来匹配值的范围。除了前面提到的整数范围匹配，还可以用于其他可比较类型。例如，对于日期：
DateTime date = new DateTime(2023, 7, 1);
string dateResult = date switch
{
>= DateTime.Parse("2023-01-01") and <= DateTime.Parse("2023-06-30") => "First half of 2023",
>= DateTime.Parse("2023-07-01") and <= DateTime.Parse("2023-12-31") => "Second half of 2023",
_ => "Not in 2023"
};
Console.WriteLine(dateResult);
这里使用关系模式匹配date是否在2023年的上半年或下半年。
逻辑模式
逻辑模式使用and、or和not关键字来组合其他模式。例如，我们可以组合类型模式和常量模式：
object data = "Hello";
string dataResult = data switch
{
string s and { Length: >= 5 } => $"Long string: {s}",
string s => $"Short string: {s}",
_ => "Not a string"
};
Console.WriteLine(dataResult);
在这个例子中，string s and { Length: >= 5 }是一个逻辑模式，它首先检查data是否为string类型，然后检查字符串长度是否大于等于5。
模式匹配与性能
虽然模式匹配和switch表达式提供了强大的功能和更简洁的代码，但在性能关键的场景中，需要考虑其性能影响。
简单模式匹配的性能
对于简单的常量模式和类型模式匹配，性能通常与传统的if - else或switch语句相当。例如，在前面的整数常量匹配和类型匹配的例子中，编译器会进行优化，生成高效的代码。
复杂模式匹配的性能
然而，当模式匹配变得复杂，尤其是包含多个复合模式或逻辑模式时，性能可能会受到影响。例如，在包含多个and和or组合的逻辑模式中，每次匹配都需要评估多个条件，这可能会增加计算量。在这种情况下，开发人员需要权衡代码的可读性和性能。如果性能是关键因素，可以考虑使用更传统的条件判断语句来优化性能。
性能测试示例
为了直观地了解性能差异，我们可以编写一个简单的性能测试。假设我们要测试一个根据整数范围进行匹配的功能，分别使用switch表达式和传统if - else语句：
using System;
using System.Diagnostics;
class Program
{
static void Main()
{
const int iterations = 10000000;
Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();
// 使用 switch 表达式测试
stopwatch.Start();
for (int i = 0; i < iterations; i++)
{
int num = i % 100;
string result = num switch
{
>= 0 and < 20 => "Low",
>= 20 and < 40 => "Medium - Low",
>= 40 and < 60 => "Medium",
>= 60 and < 80 => "Medium - High",
>= 80 and < 100 => "High",
_ => "Unknown"
};
}
stopwatch.Stop();
Console.WriteLine($"switch 表达式时间: {stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms");
// 使用 if - else 语句测试
stopwatch.Restart();
for (int i = 0; i < iterations; i++)
{
int num = i % 100;
string result;
if (num >= 0 && num < 20)
{
result = "Low";
}
else if (num >= 20 && num < 40)
{
result = "Medium - Low";
}
else if (num >= 40 && num < 60)
{
result = "Medium";
}
else if (num >= 60 && num < 80)
{
result = "Medium - High";
}
else if (num >= 80 && num < 100)
{
result = "High";
}
else
{
result = "Unknown";
}
}
stopwatch.Stop();
Console.WriteLine($"if - else 语句时间: {stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms");
}
}
通过这个性能测试，我们可以看到在大量迭代的情况下，switch表达式和if - else语句的性能差异。在实际应用中，应根据具体需求和场景选择合适的方式。
模式匹配在实际项目中的应用场景
错误处理
在处理错误码或异常类型时，模式匹配和switch表达式可以使错误处理代码更清晰。例如，假设我们有一个方法可能抛出不同类型的异常：
public static void ProcessData()
{
try
{
// 模拟可能抛出异常的代码
throw new ArgumentNullException();
}
catch (Exception ex)
{
string errorMessage = ex switch
{
ArgumentNullException => "Argument cannot be null",
ArgumentOutOfRangeException => "Argument is out of range",
_ => "Unknown error"
};
Console.WriteLine(errorMessage);
}
}
这里通过switch表达式和类型模式，我们可以根据不同的异常类型生成相应的错误消息，使错误处理逻辑更简洁。
状态机实现
在实现状态机时，模式匹配和switch表达式可以很好地模拟状态转换。例如，假设我们有一个简单的游戏角色状态机，角色有Idle、Walking和Jumping三种状态：
public enum CharacterState
{
Idle,
Walking,
Jumping
}
public class Character
{
public CharacterState State { get; set; }
public void Update()
{
// 简单模拟状态转换逻辑
State = State switch
{
CharacterState.Idle => CharacterState.Walking,
CharacterState.Walking => CharacterState.Jumping,
CharacterState.Jumping => CharacterState.Idle,
_ => CharacterState.Idle
};
}
}
在Update方法中，通过switch表达式，我们可以根据当前状态轻松地转换到下一个状态，使状态机的实现更直观。
数据解析
在解析数据时，模式匹配和switch表达式也非常有用。例如，假设我们从外部源获取到的数据可能是不同类型的，如整数、字符串或布尔值，我们可以使用模式匹配来解析数据：
object dataValue = "123";
int parsedValue = dataValue switch
{
int i => i,
string s when int.TryParse(s, out int num) => num,
_ => throw new FormatException("Unable to parse data")
};
Console.WriteLine(parsedValue);
这里string s when int.TryParse(s, out int num)是一个带when子句的模式。首先检查dataValue是否为string类型，然后使用when子句尝试将其解析为整数，如果解析成功则返回解析后的整数。
与其他语言特性的结合
与 LINQ 的结合
模式匹配和switch表达式可以与 LINQ（Language Integrated Query）结合使用，增强查询的灵活性。例如，假设我们有一个包含不同形状的列表，我们想查询出面积大于某个值的形状描述：
List<Shape> shapesList = new List<Shape>
{
new Circle { Radius = 5 },
new Rectangle { Width = 4, Height = 6 }
};
var queryResult = shapesList.Select(shape => shape switch
{
Circle c when CalculateArea(c) > 50 => $"Large circle with radius {c.Radius}",
Rectangle r when CalculateArea(r) > 50 => $"Large rectangle with width {r.Width} and height {r.Height}",
_ => "Small or unknown shape"
});
foreach (var result in queryResult)
{
Console.WriteLine(result);
}
在这个例子中，通过switch表达式和when子句，我们在Select操作中根据形状的类型和面积进行筛选和转换，生成相应的描述。
与异步编程的结合
在异步编程中，模式匹配和switch表达式也可以发挥作用。例如，假设我们有一个异步方法可能返回不同类型的结果，我们可以在异步操作完成后使用模式匹配来处理结果：
public async Task<object> GetDataAsync()
{
// 模拟异步操作
await Task.Delay(1000);
return 42;
}
public async Task ProcessDataAsync()
{
object result = await GetDataAsync();
string processedResult = result switch
{
int i => $"The result is an integer: {i}",
string s => $"The result is a string: {s}",
_ => "Unknown result type"
};
Console.WriteLine(processedResult);
}
这里在异步获取数据后，通过switch表达式根据结果的类型进行相应的处理。
模式匹配和 switch 表达式的未来发展
随着 C# 语言的不断发展，模式匹配和switch表达式有望得到进一步增强。可能的发展方向包括：
- 更丰富的模式类型：未来可能会引入更多类型的模式，如针对复杂数据结构的模式，进一步简化对这些结构的操作和匹配。
- 更好的性能优化：编译器和运行时可能会针对模式匹配和
switch表达式进行更多性能优化，使开发人员在享受其简洁性的同时，无需过多担心性能问题。 - 与新语言特性的融合：随着 C# 引入更多新特性，模式匹配和
switch表达式可能会与这些特性更紧密地结合，提供更强大的功能。例如，与新的类型系统特性或并发编程模型相结合，为开发人员提供更高效的编程方式。
模式匹配和switch表达式是 C# 中非常强大且实用的功能，它们不仅使代码更简洁、易读，还能提高开发效率。在实际开发中，合理运用这些功能可以解决许多复杂的条件判断和数据处理问题，同时开发人员也需要关注性能和与其他语言特性的结合，以充分发挥它们的优势。无论是处理简单的常量匹配，还是复杂的对象结构和逻辑组合，模式匹配和switch表达式都为 C# 开发带来了更多的灵活性和表现力。