模式匹配 - 模式中的 `is` 和 `switch` 表达式，以及 `and`、`or` 和 `not` 运算符

项目
11/20/2023

可以使用 is 表达式、switch 语句和 switch 表达式将输入表达式与任意数量的特征匹配。 C# 支持多种模式，包括声明、类型、常量、关系、属性、列表、var 和弃元。可以使用布尔逻辑关键字 and、or 和 not 组合模式。

以下 C# 表达式和语句支持模式匹配：

在这些构造中，可将输入表达式与以下任一模式进行匹配：

声明模式：用于检查表达式的运行时类型，如果匹配成功，则将表达式结果分配给声明的变量。
类型模式：用于检查表达式的运行时类型。
常量模式：用于测试表达式结果是否等于指定常量。
关系模式：用于将表达式结果与指定常量进行比较。
逻辑模式：用于测试表达式是否与模式的逻辑组合匹配。
属性模式：用于测试表达式的属性或字段是否与嵌套模式匹配。
位置模式：用于解构表达式结果并测试结果值是否与嵌套模式匹配。
var 模式：用于匹配任何表达式并将其结果分配给声明的变量。
弃元模式：用于匹配任何表达式。
列表模式：测试序列元素是否与相应的嵌套模式匹配。在 C# 11 中引入。

逻辑、属性、位置和列表模式都是递归模式。也就是说，它们可包含嵌套模式。

有关如何使用这些模式来生成数据驱动算法的示例，请参阅教程：使用模式匹配来生成类型驱动的算法和数据驱动的算法。

声明和类型模式

使用声明和类型模式检查表达式的运行时类型是否与给定类型兼容。借助声明模式，还可声明新的局部变量。当声明模式与表达式匹配时，将为该变量分配转换后的表达式结果，如以下示例所示：

object greeting = "Hello, World!";
if (greeting is string message)
{
    Console.WriteLine(message.ToLower());  // output: hello, world!
}

类型为 T 的声明模式在表达式结果为非 null 且满足以下任一条件时与表达式匹配：

表达式结果的运行时类型为 T。
表达式结果的运行时类型派生自类型 T，实现接口 T，或者存在从其到 T 的另一种隐式引用转换。下面的示例演示满足此条件时的两种案例：
```
var numbers = new int[] { 10, 20, 30 };
Console.WriteLine(GetSourceLabel(numbers));  // output: 1

var letters = new List<char> { 'a', 'b', 'c', 'd' };
Console.WriteLine(GetSourceLabel(letters));  // output: 2

static int GetSourceLabel<T>(IEnumerable<T> source) => source switch
{
    Array array => 1,
    ICollection<T> collection => 2,
    _ => 3,
};
```
在上述示例中，在第一次调用 GetSourceLabel 方法时，第一种模式与参数值匹配，因为参数的运行时类型 int[] 派生自 Array 类型。在第二次调用 GetSourceLabel 方法时，参数的运行时类型 List<T> 并非派生自 Array 类型，但却实现 ICollection<T> 接口。
表达式结果的运行时类型是具有基础类型 T 的可为 null 的值类型。
存在从表达式结果的运行时类型到类型 T 的装箱或取消装箱转换。

下面的示例演示最后两个条件：

int? xNullable = 7;
int y = 23;
object yBoxed = y;
if (xNullable is int a && yBoxed is int b)
{
    Console.WriteLine(a + b);  // output: 30
}

如果只想检查表达式类型，可使用弃元 _ 代替变量名，如以下示例所示：

public abstract class Vehicle {}
public class Car : Vehicle {}
public class Truck : Vehicle {}

public static class TollCalculator
{
    public static decimal CalculateToll(this Vehicle vehicle) => vehicle switch
    {
        Car _ => 2.00m,
        Truck _ => 7.50m,
        null => throw new ArgumentNullException(nameof(vehicle)),
        _ => throw new ArgumentException("Unknown type of a vehicle", nameof(vehicle)),
    };
}

可对此使用类型模式，如以下示例所示：

public static decimal CalculateToll(this Vehicle vehicle) => vehicle switch
{
    Car => 2.00m,
    Truck => 7.50m,
    null => throw new ArgumentNullException(nameof(vehicle)),
    _ => throw new ArgumentException("Unknown type of a vehicle", nameof(vehicle)),
};

类似于声明模式，当表达式结果为非 null 且其运行时类型满足任何上述条件时，类型模式则与表达式匹配。

若要检查非 null，可使用否定null常量模式，如以下示例所示：

if (input is not null)
{
    // ...
}

有关详细信息，请参阅功能方案说明的声明模式和类型模式部分。

常量模式

可使用常量模式来测试表达式结果是否等于指定的常量，如以下示例所示：

public static decimal GetGroupTicketPrice(int visitorCount) => visitorCount switch
{
    1 => 12.0m,
    2 => 20.0m,
    3 => 27.0m,
    4 => 32.0m,
    0 => 0.0m,
    _ => throw new ArgumentException($"Not supported number of visitors: {visitorCount}", nameof(visitorCount)),
};

在常量模式中，可使用任何常量表达式，例如：

integer 或 floating-point 数值文本
字符型
字符串字面量。
布尔值 true 或 false
enum 值
声明常量字段或本地的名称
null

表达式类型必须可转换为常量类型，但有一个例外：类型为 Span<char> 或 ReadOnlySpan<char> 的表达式可以在 C# 11 及更高版本中针对常量字符串进行匹配。

常量模式用于检查 null，如以下示例所示：

if (input is null)
{
    return;
}

编译器保证在计算表达式 x is null 时，不会调用用户重载的相等运算符 ==。

可使用否定 null 常量模式来检查非 null，如以下示例所示：

if (input is not null)
{
    // ...
}

有关详细信息，请参阅功能建议说明的常量模式部分。

关系模式

请使用关系模式将表达式结果与常量进行比较，如以下示例所示：

Console.WriteLine(Classify(13));  // output: Too high
Console.WriteLine(Classify(double.NaN));  // output: Unknown
Console.WriteLine(Classify(2.4));  // output: Acceptable

static string Classify(double measurement) => measurement switch
{
    < -4.0 => "Too low",
    > 10.0 => "Too high",
    double.NaN => "Unknown",
    _ => "Acceptable",
};

在关系模式中，可使用关系运算符 <、>、<= 或 >= 中的任何一个。关系模式的右侧部分必须是常数表达式。常数表达式可以是 integer、floating-point、char 或 enum 类型。

要检查表达式结果是否在某个范围内，请将其与合取 and 模式匹配，如以下示例所示：

Console.WriteLine(GetCalendarSeason(new DateTime(2021, 3, 14)));  // output: spring
Console.WriteLine(GetCalendarSeason(new DateTime(2021, 7, 19)));  // output: summer
Console.WriteLine(GetCalendarSeason(new DateTime(2021, 2, 17)));  // output: winter

static string GetCalendarSeason(DateTime date) => date.Month switch
{
    >= 3 and < 6 => "spring",
    >= 6 and < 9 => "summer",
    >= 9 and < 12 => "autumn",
    12 or (>= 1 and < 3) => "winter",
    _ => throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(date), $"Date with unexpected month: {date.Month}."),
};

如果表达式结果为 null 或未能通过可为空或取消装箱转换转换为常量类型，则关系模式与表达式不匹配。

有关详细信息，请参阅功能建议说明的关系模式部分。

逻辑模式

请使用 not、and 和 or 模式连结符来创建以下逻辑模式：

否定 not 模式在否定模式与表达式不匹配时与表达式匹配。下面的示例说明如何否定常量 null 模式来检查表达式是否为非空值：
```
if (input is not null)
{
    // ...
}
```

合取 and 模式在两个模式都与表达式匹配时与表达式匹配。以下示例显示如何组合关系模式来检查值是否在某个范围内：

Console.WriteLine(Classify(13));  // output: High
Console.WriteLine(Classify(-100));  // output: Too low
Console.WriteLine(Classify(5.7));  // output: Acceptable

static string Classify(double measurement) => measurement switch
{
    < -40.0 => "Too low",
    >= -40.0 and < 0 => "Low",
    >= 0 and < 10.0 => "Acceptable",
    >= 10.0 and < 20.0 => "High",
    >= 20.0 => "Too high",
    double.NaN => "Unknown",
};

析取 or 模式在任一模式与表达式匹配时与表达式匹配，如以下示例所示：

Console.WriteLine(GetCalendarSeason(new DateTime(2021, 1, 19)));  // output: winter
Console.WriteLine(GetCalendarSeason(new DateTime(2021, 10, 9)));  // output: autumn
Console.WriteLine(GetCalendarSeason(new DateTime(2021, 5, 11)));  // output: spring

static string GetCalendarSeason(DateTime date) => date.Month switch
{
    3 or 4 or 5 => "spring",
    6 or 7 or 8 => "summer",
    9 or 10 or 11 => "autumn",
    12 or 1 or 2 => "winter",
    _ => throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(date), $"Date with unexpected month: {date.Month}."),
};

如前面的示例所示，可在模式中重复使用模式连结符。

检查的优先级和顺序

模式组合器按从最高优先级到最低优先级排序，如下所示：

not
and
or

当逻辑模式是表达式 is 的模式时，逻辑模式组合器的优先级高于逻辑运算符的优先级 (位逻辑运算符和布尔逻辑运算符)。否则，逻辑模式组合器的优先级低于逻辑运算符和条件逻辑运算符的优先级。如需了解按优先级排序的完整 C# 运算符列表，请参阅 C# 运算符一文中的运算符优先级部分。

要显式指定优先级，请使用括号，如以下示例所示：

static bool IsLetter(char c) => c is (>= 'a' and <= 'z') or (>= 'A' and <= 'Z');

注意

检查模式的顺序是不确定的。在运行时，可先检查 or 和 and 模式的右侧嵌套模式。

有关详细信息，请参阅功能建议说明的模式连结符部分。

属性模式

可以使用属性模式将表达式的属性或字段与嵌套模式进行匹配，如以下示例所示：

static bool IsConferenceDay(DateTime date) => date is { Year: 2020, Month: 5, Day: 19 or 20 or 21 };

当表达式结果为非 NULL 且每个嵌套模式都与表达式结果的相应属性或字段匹配时，属性模式将与表达式匹配。

还可将运行时类型检查和变量声明添加到属性模式，如以下示例所示：

Console.WriteLine(TakeFive("Hello, world!"));  // output: Hello
Console.WriteLine(TakeFive("Hi!"));  // output: Hi!
Console.WriteLine(TakeFive(new[] { '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7' }));  // output: 12345
Console.WriteLine(TakeFive(new[] { 'a', 'b', 'c' }));  // output: abc

static string TakeFive(object input) => input switch
{
    string { Length: >= 5 } s => s.Substring(0, 5),
    string s => s,

    ICollection<char> { Count: >= 5 } symbols => new string(symbols.Take(5).ToArray()),
    ICollection<char> symbols => new string(symbols.ToArray()),

    null => throw new ArgumentNullException(nameof(input)),
    _ => throw new ArgumentException("Not supported input type."),
};

属性模式是一种递归模式。也就是说，可以将任何模式用作嵌套模式。使用属性模式将部分数据与嵌套模式进行匹配，如以下示例所示：

public record Point(int X, int Y);
public record Segment(Point Start, Point End);

static bool IsAnyEndOnXAxis(Segment segment) =>
    segment is { Start: { Y: 0 } } or { End: { Y: 0 } };

上一示例使用 or 模式结合法和记录类型。

从 C# 10 开始，可引用属性模式中嵌套的属性或字段。该功能称为“扩展属性模式”。例如，可将上述示例中的方法重构为以下等效代码：

static bool IsAnyEndOnXAxis(Segment segment) =>
    segment is { Start.Y: 0 } or { End.Y: 0 };

有关详细信息，请参阅功能建议说明的属性模式部分和扩展属性模式功能建议说明。

提示

可以使用简化属性模式 (IDE0170) 样式规则，通过建议使用扩展属性模式的位置来提高代码的可读性。

位置模式

可使用位置模式来解构表达式结果并将结果值与相应的嵌套模式匹配，如以下示例所示：

public readonly struct Point
{
    public int X { get; }
    public int Y { get; }

    public Point(int x, int y) => (X, Y) = (x, y);

    public void Deconstruct(out int x, out int y) => (x, y) = (X, Y);
}

static string Classify(Point point) => point switch
{
    (0, 0) => "Origin",
    (1, 0) => "positive X basis end",
    (0, 1) => "positive Y basis end",
    _ => "Just a point",
};

在前面的示例中，表达式的类型包含 Deconstruct 方法，该方法用于解构表达式结果。

重要

位置模式中成员的顺序必须与 Deconstruct 方法中的参数顺序匹配。这是因为为位置模式生成的代码调用 Deconstruct 方法。

还可将元组类型的表达式与位置模式进行匹配。这样，就可将多个输入与各种模式进行匹配，如以下示例所示：

static decimal GetGroupTicketPriceDiscount(int groupSize, DateTime visitDate)
    => (groupSize, visitDate.DayOfWeek) switch
    {
        (<= 0, _) => throw new ArgumentException("Group size must be positive."),
        (_, DayOfWeek.Saturday or DayOfWeek.Sunday) => 0.0m,
        (>= 5 and < 10, DayOfWeek.Monday) => 20.0m,
        (>= 10, DayOfWeek.Monday) => 30.0m,
        (>= 5 and < 10, _) => 12.0m,
        (>= 10, _) => 15.0m,
        _ => 0.0m,
    };

上一示例使用关系和逻辑模式。

可在位置模式中使用元组元素的名称和 Deconstruct 参数，如以下示例所示：

var numbers = new List<int> { 1, 2, 3 };
if (SumAndCount(numbers) is (Sum: var sum, Count: > 0))
{
    Console.WriteLine($"Sum of [{string.Join(" ", numbers)}] is {sum}");  // output: Sum of [1 2 3] is 6
}

static (double Sum, int Count) SumAndCount(IEnumerable<int> numbers)
{
    int sum = 0;
    int count = 0;
    foreach (int number in numbers)
    {
        sum += number;
        count++;
    }
    return (sum, count);
}

还可通过以下任一方式扩展位置模式：

添加运行时类型检查和变量声明，如以下示例所示：

public record Point2D(int X, int Y);
public record Point3D(int X, int Y, int Z);

static string PrintIfAllCoordinatesArePositive(object point) => point switch
{
    Point2D (> 0, > 0) p => p.ToString(),
    Point3D (> 0, > 0, > 0) p => p.ToString(),
    _ => string.Empty,
};

前面的示例使用隐式提供 Deconstruct 方法的位置记录。

在位置模式中使用属性模式，如以下示例所示：

public record WeightedPoint(int X, int Y)
{
    public double Weight { get; set; }
}

static bool IsInDomain(WeightedPoint point) => point is (>= 0, >= 0) { Weight: >= 0.0 };

结合前面的两种用法，如以下示例所示：

if (input is WeightedPoint (> 0, > 0) { Weight: > 0.0 } p)
{
    // ..
}

位置模式是一种递归模式。也就是说，可以将任何模式用作嵌套模式。

有关详细信息，请参阅功能建议说明的位置模式部分。

`var` 模式

可使用 var 模式来匹配任何表达式（包括 null），并将其结果分配给新的局部变量，如以下示例所示：

static bool IsAcceptable(int id, int absLimit) =>
    SimulateDataFetch(id) is var results 
    && results.Min() >= -absLimit 
    && results.Max() <= absLimit;

static int[] SimulateDataFetch(int id)
{
    var rand = new Random();
    return Enumerable
               .Range(start: 0, count: 5)
               .Select(s => rand.Next(minValue: -10, maxValue: 11))
               .ToArray();
}

需要布尔表达式中的临时变量来保存中间计算的结果时，var 模式很有用。当需要在 switch 表达式或语句的 when 大小写临界子句中执行更多检查时，也可使用 var 模式，如以下示例所示：

public record Point(int X, int Y);

static Point Transform(Point point) => point switch
{
    var (x, y) when x < y => new Point(-x, y),
    var (x, y) when x > y => new Point(x, -y),
    var (x, y) => new Point(x, y),
};

static void TestTransform()
{
    Console.WriteLine(Transform(new Point(1, 2)));  // output: Point { X = -1, Y = 2 }
    Console.WriteLine(Transform(new Point(5, 2)));  // output: Point { X = 5, Y = -2 }
}

在前面的示例中，模式 var (x, y) 等效于位置模式 (var x, var y)。

在 var 模式中，声明变量的类型是与该模式匹配的表达式的编译时类型。

有关详细信息，请参阅功能建议说明的 Var 模式部分。

弃元模式

可使用弃元模式 _ 来匹配任何表达式，包括 null，如以下示例所示：

Console.WriteLine(GetDiscountInPercent(DayOfWeek.Friday));  // output: 5.0
Console.WriteLine(GetDiscountInPercent(null));  // output: 0.0
Console.WriteLine(GetDiscountInPercent((DayOfWeek)10));  // output: 0.0

static decimal GetDiscountInPercent(DayOfWeek? dayOfWeek) => dayOfWeek switch
{
    DayOfWeek.Monday => 0.5m,
    DayOfWeek.Tuesday => 12.5m,
    DayOfWeek.Wednesday => 7.5m,
    DayOfWeek.Thursday => 12.5m,
    DayOfWeek.Friday => 5.0m,
    DayOfWeek.Saturday => 2.5m,
    DayOfWeek.Sunday => 2.0m,
    _ => 0.0m,
};

在前面的示例中，弃元模式用于处理 null 以及没有相应的 DayOfWeek 枚举成员的任何整数值。这可保证示例中的 switch 表达式可处理所有可能的输入值。如果没有在 switch 表达式中使用弃元模式，并且该表达式的任何模式均与输入不匹配，则运行时会引发异常。如果 switch 表达式未处理所有可能的输入值，则编译器会生成警告。

弃元模式不能是 is 表达式或 switch 语句中的模式。在这些案例中，要匹配任何表达式，请使用带有弃元 var _ 的 var 模式。弃元模式可以是表达式 switch 中的模式。

有关详细信息，请参阅功能建议说明的弃元模式部分。

带括号模式

可在任何模式两边加上括号。通常，这样做是为了强调或更改逻辑模式中的优先级，如以下示例所示：

if (input is not (float or double))
{
    return;
}

列表模式

从 C# 11 开始，可以将数组或列表与模式的序列进行匹配，如以下示例所示：

int[] numbers = { 1, 2, 3 };

Console.WriteLine(numbers is [1, 2, 3]);  // True
Console.WriteLine(numbers is [1, 2, 4]);  // False
Console.WriteLine(numbers is [1, 2, 3, 4]);  // False
Console.WriteLine(numbers is [0 or 1, <= 2, >= 3]);  // True

如前面的示例所示，当每个嵌套模式与输入序列的相应元素匹配时，列表模式就会匹配。可使用列表模式中的任何模式。若要匹配任何元素，请使用弃元模式，或者，如果还想捕获元素，请使用 var 模式，如以下示例所示：

List<int> numbers = new() { 1, 2, 3 };

if (numbers is [var first, _, _])
{
    Console.WriteLine($"The first element of a three-item list is {first}.");
}
// Output:
// The first element of a three-item list is 1.

前面的示例将整个输入序列与列表模式匹配。若要仅匹配输入序列开头或/和结尾的元素，请使用切片模式 ..，如以下示例所示：

Console.WriteLine(new[] { 1, 2, 3, 4, 5 } is [> 0, > 0, ..]);  // True
Console.WriteLine(new[] { 1, 1 } is [_, _, ..]);  // True
Console.WriteLine(new[] { 0, 1, 2, 3, 4 } is [> 0, > 0, ..]);  // False
Console.WriteLine(new[] { 1 } is [1, 2, ..]);  // False

Console.WriteLine(new[] { 1, 2, 3, 4 } is [.., > 0, > 0]);  // True
Console.WriteLine(new[] { 2, 4 } is [.., > 0, 2, 4]);  // False
Console.WriteLine(new[] { 2, 4 } is [.., 2, 4]);  // True

Console.WriteLine(new[] { 1, 2, 3, 4 } is [>= 0, .., 2 or 4]);  // True
Console.WriteLine(new[] { 1, 0, 0, 1 } is [1, 0, .., 0, 1]);  // True
Console.WriteLine(new[] { 1, 0, 1 } is [1, 0, .., 0, 1]);  // False

切片模式匹配零个或多个元素。最多可在列表模式中使用一个切片模式。切片模式只能显示在列表模式中。

还可以在切片模式中嵌套子模式，如以下示例所示：

void MatchMessage(string message)
{
    var result = message is ['a' or 'A', .. var s, 'a' or 'A']
        ? $"Message {message} matches; inner part is {s}."
        : $"Message {message} doesn't match.";
    Console.WriteLine(result);
}

MatchMessage("aBBA");  // output: Message aBBA matches; inner part is BB.
MatchMessage("apron");  // output: Message apron doesn't match.

void Validate(int[] numbers)
{
    var result = numbers is [< 0, .. { Length: 2 or 4 }, > 0] ? "valid" : "not valid";
    Console.WriteLine(result);
}

Validate(new[] { -1, 0, 1 });  // output: not valid
Validate(new[] { -1, 0, 0, 1 });  // output: valid

有关详细信息，请参阅列表模式功能建议说明。

C# 语言规范

有关详细信息，请参阅 C# 语言规范的模式和模式匹配部分。

若要了解 C# 8 及更高版本中添加的功能，请参阅以下功能建议说明：

通过

模式匹配 - 模式中的 `is` 和 `switch` 表达式，以及 `and`、`or` 和 `not` 运算符

声明和类型模式

常量模式

关系模式

逻辑模式

检查的优先级和顺序

属性模式

位置模式

`var` 模式

弃元模式

带括号模式

列表模式

C# 语言规范

另请参阅

其他资源

通过

模式匹配 - 模式中的 is 和 switch 表达式，以及 and、or 和 not 运算符

声明和类型模式

常量模式

关系模式

逻辑模式

检查的优先级和顺序

属性模式

位置模式

var 模式

弃元模式

带括号模式

列表模式

C# 语言规范

另请参阅

其他资源

模式匹配 - 模式中的 `is` 和 `switch` 表达式，以及 `and`、`or` 和 `not` 运算符

`var` 模式