C#模式匹配：现代类型检查与数据解构的范式转变-优快云博客

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C#模式匹配：现代类型检查与数据解构的范式转变

模式匹配（Pattern Matching）是 C# 6.0 引入的一项革命性特性，它通过简化类型检查和数据解构逻辑，彻底改变了代码的可读性和维护性。从基础的类型测试到复杂的递归解构，模式匹配已成为现代 C# 开发中不可或缺的工具。本文将深入探讨这一特性的各个方面，并通过实际案例展示其强大功能。

一、模式匹配的核心概念

模式匹配允许开发者以声明式语法检查对象的结构和值，而非传统的命令式条件判断。其核心优势在于：

代码简洁性：减少嵌套的 if-else 和 switch 语句
类型安全性：编译时类型检查
表达力提升：直接表达复杂的匹配逻辑

C# 提供了多种模式类型，包括：常量模式、类型模式、属性模式、元组模式、位置模式和弃元模式等。

二、基础模式类型详解

1. 常量模式（Constant Pattern）

常量模式用于检查表达式是否等于某个常量值：

public static string GetWeatherDescription(int temperature)
{
    return temperature switch
    {
        0 => "Freezing",
        30 => "Hot",
        _ => "Normal" // 弃元模式，匹配所有其他情况
    };
}

2. 类型模式（Type Pattern）

类型模式结合类型检查和变量声明：

public static void PrintValue(object obj)
{
    if (obj is string s) // 类型模式 + 变量声明
    {
        Console.WriteLine($"String: {s.Length}");
    }
    else if (obj is int i)
    {
        Console.WriteLine($"Integer: {i}");
    }
}

3. 关系模式（Relational Pattern）

C# 9.0 引入的关系模式允许使用比较运算符：

public static string GetGrade(int score) => score switch
{
    < 0 => throw new ArgumentException("Score cannot be negative"),
    < 60 => "F",
    < 70 => "D",
    < 80 => "C",
    < 90 => "B",
    <= 100 => "A",
    _ => throw new ArgumentException("Score cannot exceed 100")
};

三、高级模式组合

1. 逻辑模式（Logical Patterns）

使用 and、or、not 组合多个模式：

public static bool IsValidColor(int r, int g, int b) =>
    (r, g, b) switch
    {
        (>= 0 and <= 255, >= 0 and <= 255, >= 0 and <= 255) => true,
        _ => false
    };

2. 属性模式（Property Pattern）

用于解构对象属性：

public class Point
{
    public int X { get; set; }
    public int Y { get; set; }
}

public static string GetQuadrant(Point p) => p switch
{
    { X: > 0, Y: > 0 } => "First Quadrant",
    { X: < 0, Y: > 0 } => "Second Quadrant",
    { X: < 0, Y: < 0 } => "Third Quadrant",
    { X: > 0, Y: < 0 } => "Fourth Quadrant",
    _ => "Origin or Axis"
};

3. 位置模式（Positional Pattern）

需要类型实现 Deconstruct 方法：

public class Rectangle
{
    public int Width { get; set; }
    public int Height { get; set; }
    
    public void Deconstruct(out int width, out int height)
        => (width, height) = (Width, Height);
}

public static string DescribeRectangle(Rectangle rect) => rect switch
{
    (0, 0) => "Point",
    (int w, int h) when w == h => $"Square ({w}x{h})",
    (int w, int h) => $"Rectangle ({w}x{h})"
};

四、模式匹配在实际开发中的应用

1. 集合处理

public static string DescribeList<T>(List<T> list) => list switch
{
    null => "Null",
    [] => "Empty",
    [var singleItem] => $"Single item: {singleItem}",
    [var first, var second] => $"Two items: {first}, {second}",
    [var head, .. var middle, var tail] => $"Multiple items: {head}, ..., {tail}",
    _ => "Other"
};

2. 递归数据结构

public abstract class Expression
{
    public record Constant(int Value) : Expression;
    public record Add(Expression Left, Expression Right) : Expression;
    public record Subtract(Expression Left, Expression Right) : Expression;
}

public static int Evaluate(Expression expr) => expr switch
{
    Expression.Constant(var value) => value,
    Expression.Add(var left, var right) => Evaluate(left) + Evaluate(right),
    Expression.Subtract(var left, var right) => Evaluate(left) - Evaluate(right),
    _ => throw new ArgumentException("Invalid expression")
};