模式匹配概述
“模式匹配”是一种测试表达式是否具有特定特征的方法。 C# 模式匹配提供更简洁的语法，用于测试表达式并在表达式匹配时采取措施。 “is 表达式”目前支持通过模式匹配测试表达式并有条件地声明该表达式结果。 “switch 表达式”允许你根据表达式的首次匹配模式执行操作。 这两个表达式支持丰富的模式词汇。
本文概述了可以使用模式匹配的方案。 这些方法可以提高代码的可读性和正确性。 有关可以应用的所有模式的完整讨论，请参阅语言参考中有关模式的文章。
Null 检查
模式匹配最常见的方案之一是确保值不是 null。 使用以下示例进行 null 测试时，可以测试可为 null 的值类型并将其转换为其基础类型：
int? maybe = 12;
if (maybe is int number)
{
Console.WriteLine($"The nullable int 'maybe' has the value {number}");
}
else
{
Console.WriteLine("The nullable int 'maybe' doesn't hold a value");
}
上述代码是声明模式，用于测试变量类型并将其分配给新变量。 语言规则使此方法比其他方法更安全。 变量 number 仅在 if 子句的 true 部分可供访问和分配。 如果尝试在 else 子句或 if 程序块后等其他位置访问，编译器将出错。 其次，由于不使用 == 运算符，因此当类型重载 == 运算符时，此模式有效。 这使该方法成为检查空引用值的理想方法，可以添加 not 模式：
string? message = ReadMessageOrDefault();
if (message is not null)
{
Console.WriteLine(message);
}
前面的示例使用常数模式将变量与 null 进行比较。 not 为一种逻辑模式，在否定模式不匹配时与该模式匹配。
类型测试
模式匹配的另一种常见用途是测试变量是否与给定类型匹配。 例如，以下代码测试变量是否为非 null 并实现 System.Collections.Generic.IList<T> 接口。 如果是，它将使用该列表中的 ICollection<T>.Count 属性来查找中间索引。 不管变量的编译时类型如何，声明模式均与 null 值不匹配。 除了防范未实现 IList 的类型之外，以下代码还可防范 null。
public static T MidPoint<T>(IEnumerable<T> sequence)
{
if (sequence is IList<T> list)
{
return list[list.Count / 2];
}
else if (sequence is null)
{
throw new ArgumentNullException(nameof(sequence), "Sequence can't be null.");
}
else
{
int halfLength = sequence.Count() / 2 - 1;
if (halfLength < 0) halfLength = 0;
return sequence.Skip(halfLength).First();
}
}
可在 switch 表达式中应用相同测试，用以测试多种不同类型的变量。 你可以根据特定运行时类型使用这些信息创建更好的算法。
比较离散值
你还可以通过测试变量找到特定值的匹配项。 在以下代码演示的示例中，你针对枚举中声明的所有可能值进行数值测试：
public State PerformOperation(Operation command) =>
command switch
{
Operation.SystemTest => RunDiagnostics(),
Operation.Start => StartSystem(),
Operation.Stop => StopSystem(),
Operation.Reset => ResetToReady(),
_ => throw new ArgumentException("Invalid enum value for command", nameof(command)),
};
前一个示例演示了基于枚举值的方法调度。 最终 _ 案例为与所有数值匹配的弃元模式。 它处理值与定义的 enum 值之一不匹配的任何错误条件。 如果省略该开关分支，编译器会发出警告，指示模式表达式不处理所有可能的输入值。 在运行时，如果检查的对象与任何 switch 分支均不匹配，则 switch 表达式会引发异常。 可以使用数值常量代替枚举值集。 你还可以将这种类似的方法用于表示命令的常量字符串值：
public State PerformOperation(string command) =>
command switch
{
"SystemTest" => RunDiagnostics(),
"Start" => StartSystem(),
"Stop" => StopSystem(),
"Reset" => ResetToReady(),
_ => throw new ArgumentException("Invalid string value for command", nameof(command)),
};
前面的示例显示相同的算法，但使用字符串值代替枚举。 如果应用程序响应文本命令而不是常规数据格式，则可以使用此方案。 从 C# 11 开始，还可以使用 Span<char> 或 ReadOnlySpan<char> 来测试常量字符串值，如以下示例所示：
public State PerformOperation(ReadOnlySpan<char> command) =>
command switch
{
"SystemTest" => RunDiagnostics(),
"Start" => StartSystem(),
"Stop" => StopSystem(),
"Reset" => ResetToReady(),
_ => throw new ArgumentException("Invalid string value for command", nameof(command)),
};
在所有这些示例中，“弃元模式”可确保处理每个输入。 编译器可确保处理每个可能的输入值，为你提供帮助。
关系模式
你可以使用关系模式测试如何将数值与常量进行比较。 例如，以下代码基于华氏温度返回水源状态：
string WaterState(int tempInFahrenheit) =>
tempInFahrenheit switch
{
(> 32) and (< 212) => "liquid",
< 32 => "solid",
> 212 => "gas",
32 => "solid/liquid transition",
212 => "liquid / gas transition",
};
上述代码还演示了联合 and 逻辑模式，用于检查两种关系模式是否匹配。 你还可以使用析取 or 模式检查模式匹配。 这两种关系模式括在括号中，可以在任何模式下用于清晰表述。 最后两个 switch 分支用于处理熔点和沸点的案例。 如果没有这两个分支，编译器将警告你的逻辑未涵盖每个可能的输入。
上述代码还说明了编译器为模式匹配表达式提供的另一项重要功能：如果没有处理每个输入值，编译器会发出警告。 如果一个开关分支的模式被前一模式覆盖，编译器也会发出警告。 这使你能够随意重构和重新排列 switch 表达式。 编写同一表达式的另一种方法是：
string WaterState2(int tempInFahrenheit) =>
tempInFahrenheit switch
{
< 32 => "solid",
32 => "solid/liquid transition",
< 212 => "liquid",
212 => "liquid / gas transition",
_ => "gas",
};
前面的示例以及任何其他重构或重新排序的重点是编译器会验证代码是否处理所有可能的输入。
多个输入
到目前为止涉及的所有模式都检查了一个输入。 可以写入检查一个对象的多个属性的模式。 请考虑以下 Order 记录：
public record Order(int Items, decimal Cost);
前面的位置记录类型在显式位置声明两个成员。 首先出现 Items，然后是订单的 Cost。 有关详细信息，请参阅记录。
以下代码检查项数和订单值以计算折扣价：
public decimal CalculateDiscount(Order order) =>
order switch
{
{ Items: > 10, Cost: > 1000.00m } => 0.10m,
{ Items: > 5, Cost: > 500.00m } => 0.05m,
{ Cost: > 250.00m } => 0.02m,
null => throw new ArgumentNullException(nameof(order), "Can't calculate discount on null order"),
var someObject => 0m,
};
前两个分支检查 Order 的两个属性。 第三个仅检查成本。 下一个检查 null，最后一个与其他任何值匹配。 如果 Order 类型定义了适当的 Deconstruct 方法，则可以省略模式的属性名称，并使用析构检查属性：
public decimal CalculateDiscount(Order order) =>
order switch
{
( > 10, > 1000.00m) => 0.10m,
( > 5, > 50.00m) => 0.05m,
{ Cost: > 250.00m } => 0.02m,
null => throw new ArgumentNullException(nameof(order), "Can't calculate discount on null order"),
var someObject => 0m,
};
上述代码演示了位置模式，其中表达式的属性已析构。
列表模式
可以使用列表模式检查列表或数组中的元素。 列表模式提供了一种方法，将模式应用于序列的任何元素。 此外，还可以应用弃元模式 (_) 来匹配任何元素，或者应用切片模式来匹配零个或多个元素。
当数据不遵循常规结构时，列表模式是一个有价值的工具。 可以使用模式匹配来测试数据的形状和值，而不是将其转换为一组对象。
看看下面的内容，它摘录自一个包含银行交易信息的文本文件：
04-01-2020, DEPOSIT, Initial deposit, 2250.00
04-15-2020, DEPOSIT, Refund, 125.65
04-18-2020, DEPOSIT, Paycheck, 825.65
04-22-2020, WITHDRAWAL, Debit, Groceries, 255.73
05-01-2020, WITHDRAWAL, #1102, Rent, apt, 2100.00
05-02-2020, INTEREST, 0.65
05-07-2020, WITHDRAWAL, Debit, Movies, 12.57
04-15-2020, FEE, 5.55
它是 CSV 格式，但某些行的列数比其他行要多。 对处理来说更糟糕的是，WITHDRAWAL 类型中的一列包含用户生成的文本，并且可以在文本中包含逗号。 一个包含弃元模式、常量模式和 var 模式的列表模式用于捕获这种格式的值处理数据：
decimal balance = 0m;
foreach (string[] transaction in ReadRecords())
{
balance += transaction switch
{
[_, "DEPOSIT", _, var amount] => decimal.Parse(amount),
[_, "WITHDRAWAL", .., var amount] => -decimal.Parse(amount),
[_, "INTEREST", var amount] => decimal.Parse(amount),
[_, "FEE", var fee] => -decimal.Parse(fee),
_ => throw new InvalidOperationException($"Record {string.Join(", ", transaction)} is not in the expected format!"),
};
Console.WriteLine($"Record: {string.Join(", ", transaction)}, New balance: {balance:C}");
}
前面的示例采用了字符串数组，其中每个元素都是行中的一个字段。 第二个字段的 switch 表达式键，用于确定交易的类型和剩余列数。 每一行都确保数据的格式正确。 弃元模式 (_) 跳过第一个字段，以及交易的日期。 第二个字段与交易的类型匹配。 其余元素匹配跳过包含金额的字段。 最终匹配使用 var 模式来捕获金额的字符串表示形式。 表达式计算要从余额中加上或减去的金额。
列表模式可以在数据元素序列的形状上进行匹配。 使用弃元模式和切片模式来匹配元素的位置。 使用其他模式来匹配各个元素的特征。
本文介绍了可以使用 C# 中的模式匹配写入的代码类型。 下面的文章显示了在方案中使用模式的更多示例，以及可供使用的完整模式词汇。
