深入解析C#中的模式匹配：简洁高效的功能探索

模式匹配是编程领域中一种强大的工具，用于检测表达式是否符合特定条件，C#通过一系列丰富且灵活的模式表达式与语句，极大地简化了这一过程。本文将逐一剖析C#提供的模式匹配特性，揭示其背后的简洁逻辑与强大功能。

C#模式匹配核心组件

C#模式匹配围绕两个基本构建块展开：表达式/语句和模式。关键的表达式/语句包括is表达式、switch语句以及switch表达式，而模式则涵盖声明模式、类型模式、常量模式等多种类型，每种模式都有其独特的应用场景。

声明模式和类型模式:类型检验的双刃剑

声明模式和类型模式虽逻辑相似，均用于检验表达式的运行时类型，但前者在匹配成功后还会将结果赋值给变量，体现了更高的便捷性。例如，利用is表达式进行类型检查并分配变量，不仅代码精简，还隐含了对null值的检查。

object obj = "Hello";
if (obj is string str)
    Console.WriteLine(str);

与之对比，类型模式不直接分配变量，但结合as操作符也能达到类似效果，只是代码略显冗余。
switch的多样运用：
switch语句和表达式展示了模式匹配的灵活性，它们能够基于不同的模式进行复杂的逻辑分支处理。无论是基于类型、声明的直接匹配，还是通过逻辑组合模式进行更细腻的控制流管理，switch都显得游刃有余。

return obj switch
{
    int i => 1,
    string s => s.Length,
    null => 3,
    _ => throw new ArgumentException("未知类型")
};

常量模式至逻辑模式：从简单到复杂的

• 常量模式直接与固定值匹配，适用于简单的值比较场景。

常量模式：

 int Constant_Pattern_Switch(int a) 
 {
     switch (a)
     {
         case 1:
             return 1;
         case 2: 
             return 2;
         default:
             throw new ArgumentException("未知的值",nameof(a));
     }
 }

常量模式用于null值检查：

void Constant_Pattern_NullCheck(object a) 
{
    if (a is null)
    {
        Console.WriteLine("a是null");
    }
    if (a is not null)
        Console.WriteLine("a不是null");
}

• 关系模式扩展了匹配的范围，允许比较表达式与范围或条件。

关系模式：

 void Relation_Pattern_(int a)
 {
     if (a is >100)
         Console.WriteLine("优秀");
     if (a is (<= 100 and > 60))
         Console.WriteLine("合格");
 }

• 逻辑模式则通过and、or、not等逻辑操作符，实现模式的组合匹配，极大地增强了表达能力。

逻辑模式

void PatternCombinators(int a)
{
    if (a is (> 100 and < 200) or (> 200 and < 300 and not 250)  )
    {
        Console.WriteLine("a 在100-200之间或者200-300之间并且不是250");
    }
   
}

高级模式：深入对象结构

• 属性模式针对对象的属性或字段进行匹配，适合复杂的对象状态验证。

属性模式

 void Property_Pattern(Vector2 v) 
 {
     //如果 向量的X，Y都大于20
     if (v is { X: > 20, Y: > 20 }) 
     {
     }
     switch (v) 
     {
         //X,Y都大于100
         case { X: > 100 ,Y:>100 }:
             break;
         default:
             break;
     }
 }
class Room
{
    public Door door;
}
class Door
{
    public double width;
    public double height;
}
//属性模式的嵌套模式
void Property_Pattern(Room room) 
{
    if (room is { door: { width: > 100 } }) 
    {
        Console.WriteLine("房门宽度大于100");
    }
}

• 位置模式通过解构表达式，直接与数据结构的组成部分匹配，是属性模式的自然延伸。

位置模式示例：

public readonly struct Vector2
{
    public int X { get; }
    public int Y { get; }

    public Vector2(int x, int y) => (X, Y) = (x, y);
    /// <summary>
    /// 解构表达式
    /// </summary>
    /// <param name="x"></param>
    /// <param name="y"></param>
    public void Deconstruct(out int x, out int y) => (x, y) = (X, Y);
}
void Location_Pattern(Vector2 v) 
{
    if (v is (1, 0))
        Console.WriteLine("水平");
    if(v is (0,1))
        Console.WriteLine("垂直");
    switch (v)
    {
        case (1, 0):
            Console.WriteLine("水平");
            break;
            case (0, 1):
            Console.WriteLine("垂直");
            break;
    }
}

• 列表模式（C# 11新特性）能直接与数组或列表中的序列进行模式匹配，大大提升了集合处理的便利性。

列表模式示例：

void List_Pattern(object[] num) 
{
    int a = 0;
    if (num is [1, int, var third, _]) 
    {
        Console.WriteLine("第一个为整数1");
        Console.WriteLine("第二个为整数类型");
        Console.WriteLine($"第三个为{third.ToString()}");
        Console.WriteLine("第四个随便");
    }
}

PS:
1. Deconstruct 方法是解构表达式的必要方法，没有该方法以上代码会有编译错误
2.元祖类型天然支持位置模式

辅助模式：var模式、弃元模式与括号模式

• var模式简化变量声明与赋值过程，提升代码的简洁度。

var模式示例：

void Var_Pattern(int[] a) 
{
    if (a.Length is var len)
        Console.WriteLine($"a数组长度{len}");

    switch (a.Length)
    {
        case var alen:
            Console.WriteLine($"a数组长度{alen}");
            break;
    }    

}

• 弃元模式（_）作为通配符，匹配任意值而不分配变量，有助于忽略不必要的部分,声明模式示例中有其应用
• 括号模式用于明确模式组合中的优先级，使逻辑更加清晰。
  

总结

C#的模式匹配机制是代码优化与逻辑清晰化的利器。它通过丰富的模式种类和灵活的表达形式，将原本可能繁琐的条件判断转化为简洁、直观的表达，显著提高了开发效率与代码可读性。掌握这些模式，开发者能在编写高效、易维护的C#代码时如虎添翼。