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 = "This is not the null string";
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。 如果省略开关臂，编译器会警告你尚未处理所有可能输入值。 在运行时，如果检查的对象与任何开关臂均不匹配，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。 最后两个开关臂用于处理熔点和沸点的案例。 如果没有这两个开关臂，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。 如果交换机 arm 已由先前的交换机 arm 处理，则编译器还会发出警告。 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",
};
关于这一点和任何其他重构或重新排列的关键注意事项是，编译器会验证你已涵盖所有输入。
多个输入
到目前为止，你所看到的所有模式都在检查一个输入。 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,
};
前两个开关臂检查 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 类型中的一列具有用户生成的文本，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。