引言
隨著C#不斷發展，"模式匹配"（Pattern Matching）已經成為讓代碼更加友好、可讀和強大的核心特性。從 C# 7.0 初次引入，到 C# 11的能力擴展，模式匹配為處理類型判斷、屬性解構、集合匹配等提供了簡潔、高效且類型安全的表達方式。它不僅能讓 if/switch 等控制結構變得“聲明式”，還能帶來性能提升。在這篇文章里，我們將深入剖析 C 的所有模式匹配語法和用法，追蹤其演變，講清一些容易混淆和誤用的地方，讓大家能了解模式匹配本質。
1. 什么是模式匹配
模式匹配本質上是一種表達式判定工具：用以檢查一個對象是否與某種“模式”相吻合，如果吻合，還允許對其分解、綁定成員變量。這可以是類型檢查、常量判斷、屬性結構匹配等。
傳統C#寫法：
if (person != null && person.Age >= 18 && person is Employee
&& ((Employee)person).YearsAtCompany > 5) {
// 處理邏輯
}
模式匹配寫法：
if (person is Employee { Age: >= 18, YearsAtCompany: > 5 }) {
// 處理邏輯
}
更簡潔、可讀、類型安全，不需要重復顯式強制轉型。
2. C#7.0 初代模式匹配特性
2.1 Null 模式與常量模式
C#7.0 首先支持了用is直接與null以及常量對比：
if (obj is null) Console.WriteLine("對象為null");
if (d is Math.PI) Console.WriteLine("d 是圓周率");
if (str is "test") Console.WriteLine("str內容等于test");
注意：常量匹配僅支持編譯期常量，比如數字、字符串、bool、enum、const字段和null。不能直接用非const變量或表達式。
這個限制為何存在？
- 編譯器要保證 switch 和 if 全覆蓋檢查，如果允許變量參與，則難推導 exhaustiveness（全覆蓋）。
- 也可避免不可預期的副作用與邏輯混亂（比如變量運行期改變等）。
2.2 類型模式與變量捕獲
類型模式允許 you not only 判斷類型，還能直接捕獲變量：
if (shape is Circle circle1)
Console.WriteLine($"圓的半徑為 {circle1.Radius}");
甚至可以鏈式判斷：
if (shape is Rectangle r && r.Width == r.Height)
Console.WriteLine("正方形");
非常適用于臨時變量創建、減少強制類型轉換(顯式as/cast)代碼雜音。
is vs as？
is 結合新模式后可以直接安全聲明變量，無需后續 null 檢查。as 后還得寫 if (x != null)。
2.3 Discard 與 var 模式
- Discard（
_）：匹配但忽略，用于 switch 的 default 分支或類型“只是判斷，不關心值”。 - var：總是匹配成功，并引出變量。通常用于解構場景，比如 switch/case 匹配對象成員。
if (obj is var o)
Console.WriteLine(o); // 不管 obj 是否為null，o 指向原始值（即使null）
?? 這里容易誤用！
不要用 var 跳過 null 檢查。因為這樣會把 null 值“吞掉”，造成 NullReferenceError 隱患。
if (p is var _)
{ // 這里仍可能是 null
Console.WriteLine(p.Length); // NullReferenceException
}
2.4 switch 語句的模式匹配
傳統 switch 只能匹配簡單的枚舉或數字等，C#7.0 后支持以下寫法：
switch (seq) {
case Array a: return a.Length;
case ICollection<T> c: return c.Count;
case IEnumerable<T> _: return seq.Count();
default: return 0;
}
- 某類型滿足條件即分支命中
- Discard
case IEnumerable<T> _: - default處理剩余情況
switch 的 when 子句
when 只能用于 switch：
case Array a when a.Length < 10: return a.Length;
無法用于 if！
3. C#8.0: Switch表達式、屬性、位置、元組模式
3.1 表達式 Switch
C#8 引入 switch-表達式，極大提升 switch 可讀性和函數式編程體驗：
string whatShape = shape switch {
Circle c => $"circle radius: {c.Radius}",
Rectangle _ => "rectangle",
_ => "null or unknown"
};
=>右邊直接返回值，非常適合表達式體成員：
public static string Describe(this Shape s) => s switch { ... };
3.2 屬性模式 (Property Patterns)
可直接針對屬性表達式判定
if (shape is Circle { Radius: 1.0 })
Console.WriteLine("單位圓");
whatShape = shape switch {
Rectangle { Width: 10, Height: 5 } => "10x5 矩形",
Rectangle { Width: var x, Height: var y } => $"rect: {x}x{y}",
{ } => "非null",
_ => "null"
};
重點說明：
{ } 代表對象非null。{ Width: 10, Height: 5 } 同時要求2個屬性等于指定值。{ Width: var x, Height: >5 } 可以對屬性用關系操作和抽取變量。- 若對象有
Deconstruct方法，可用位置/元組模式更優雅。
3.3 位置模式（Positional Patterns）
利用 Deconstruct 抽取變量：
public void Deconstruct(out double w, out double h) => (w, h) = (Width, Height);
shape switch {
Rectangle(var x, var y) => $"矩形尺寸:{x}x{y}",
...
}
3.4 元組模式
處理多個參數的模式組合：
(c1, c2, c3) switch {
(Color.Blue, Color.White, Color.Red) => "France",
(Color.Green, Color.White, Color.Red) => "Italy",
_ => "Unknown"
};
- 有效解決“復雜組合條件冗長”的老大難。
- 更直觀表達多變量匹配，不需層層嵌套。
4. C#9.0: 組合、括號及關系模式
4.1 組合模式（and/or/not）
組合條件極其強大：
c is (>= 'a' and <= 'z') or (>= 'A' and <= 'Z') or '.' or ','
等價于：
(c >= 'a' && c <= 'z') || (c >= 'A' && c <= 'Z') || c == '.' || c == ','
not 語法
if (obj is not null) { ... }
比傳統 !(obj is null) 更直觀。
4.2 關系模式（Relational Patterns）
直接用 >, <, >=, <= 表達區間
rate = monthlyIncome switch {
>=0 and <1000 => 0,
<5000 => 10,
_ => 20
};
結合屬性/類型模式：
shape switch {
Circle { Radius: >1 and <=10 } => "較合理圓",
Circle { Radius: >10 } => "過大圓",
Rectangle => "矩形",
_ => "不匹配"
};
4.3 類型模式精簡
C#9 類型模式無需 underscore，eg：Rectangle 直接寫。
5. C#10.0: 擴展屬性模式
支持嵌套點表達式：
之前版本：
x is Person { FirstName: { Length: <=5 } }
C#10：
x is Person { FirstName.Length: <=5 }
讓屬性鏈判定更加直觀簡潔。
6. C#11.0: 列表與切片模式
6.1 列表模式
讓數組/集合結構模式判定成為可能：
if (arr is [1, 2, 3])
// 匹配長度為3，內容依次為1,2,3
[..]: 切片模式，等價于“0個或多個元素”_: 忽略一個元素（discard）
[_, >0, ..] // 至少2個元素，第二個>0
[.., <=0, _] // 至少2個元素，倒數第二個<=0且不關心最后一個
注意：切片只能出現一次。
6.2 列表遞歸
可以做嵌套匹配：
bool EndsWithSingleIntList(List<List<int>> lists) => lists is [.., [_]];
// 至少一個元素，且最后一個是單元素list
6.3 支持的結構
只要類型有 Length/Count 屬性和支持 [index] 則可用列表模式，如 string、數組、自定義集合（只需這兩個成員）。
例如處理國別碼：
switch (s) {
case [char c0, char c1]: // 即 s.Length==2
...
}
7. 模式匹配背后的實現與性能分析
7.1 不是“魔法”，而是IL優化
許多人以為 pattern matching 是一種基于反射或者表達式樹的黑魔法。實際上，編譯器常常能把很多 pattern 匹配轉為高效的“順序判斷”或“跳表”等機器碼。
例如：
c is (>= 'a' and <= 'z') or (>= 'A' and <= 'Z') or '.' or ','
編譯后 Equals:
(c >= 'a' && c <= 'z') || (c >= 'A' && c <= 'Z') || c == '.' || c == ','
對于一組常量匹配：
statusCode is 0x1000 or 0x1001 or 0x1002 or 0x2000 or 0x2001 or 0x3000
編譯器會變換成：
return ((uint)(statusCode - 4096) <= 2u || (uint)(statusCode - 8192) <= 1u || statusCode == 12288);
即用范圍短路、減少 equals 判斷次數。
?? 建議：
對于性能敏感代碼，請結合 Benchmark.NET 做實測對比。有時手寫的判定和 pattern matching 效果類似，甚至后者更優。
8. 常見誤區與最佳實踐
8.1 不要用 pattern 替代多態
最容易見的誤用是用模式匹配處理繼承結構的多態行為：
// xxx
public static double Area(this Shape shape) => shape switch {
Circle c => c.Radius * c.Radius * Math.PI,
Rectangle r => r.Width * r.Height
};
事實上，應該優先用抽象基類/接口的虛方法或屬性：
abstract class Shape { public abstract double Area {get;} }
class Circle : Shape {
public double Radius { get; set; }
public override double Area => Radius * Radius * Math.PI;
}
為什么？
- 可擴展性強（新子類無需修改 Area 邏輯，符合開閉原則）。
- 虛調用比類型判定快。
- 更少維護負擔。
8.2 Constant-Only 限制
只有編譯期常量才能用于模式匹配，如果需要支持運行時變量，需采用傳統判定。
8.3 避免濫用 var/discard
- 不要用
is var x 跳過 null 檢查。 - discard
_ 只適合確實不關心值的場景，用后不要嘗試訪問。
8.4 List/Slice 模式性能
使用 [..var arr, x] 這種 slice+變量捕獲，編譯器可能分配新數組，造成性能下降。大數據集合應謹慎。
9. 小結與展望
Pattern Matching 是現代 C# 代碼的“瑞士軍刀”，能極大提升 if/else、switch/case 類代碼的簡潔性、表達力和類型安全性，在 switch 表達式等場景下優勢更加明顯。它不僅代碼層面更美觀，也能為某些條件分支提供更優指令級性能。然而，模式匹配并非多態(polymorphism)、虛方法的替代品！業務邏輯與類型分發仍建議用面向對象原則解決。
?轉自https://www.cnblogs.com/InCerry/p/-/introduce-cs-pattern-match
該文章在 2025/6/9 9:15:57 編輯過
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