模式匹配

模式匹配

模式匹配，这个词，对于非函数语言编程来说，真的还蛮少听到，因为它经常出现在函数式编程里，用于为复杂的类型系统提供一个轻松的解构能力。

match 和 if let

在 Rust 中，模式匹配最常用的就是 match 和 if let，本章节将对两者及相关的概念进行详尽介绍。

先来看一个关于 match 的简单例子：

enum Direction {
    East,
    West,
    North,
    South,
}
fn main() {
    let dire = Direction::South;
    match dire {
        Direction::East => println!("East"),
        Direction::North | Direction::South => {
            println!("South or North");
        },
        _ => println!("West"),
    };
}

这里我们想去匹配 dire 对应的枚举类型，因此在 match 中用三个匹配分支来完全覆盖枚举变量 Direction 的所有成员类型，有以下几点值得注意：

match 的匹配必须要穷举出所有可能，因此这里用 _ 来代表未列出的所有可能性；
match 的每一个分支都必须是一个表达式，且所有分支的表达式最终返回值的类型必须相同；
X | Y，类似逻辑运算符 或，代表该分支可以匹配 X 也可以匹配 Y，只要满足一个即可；

其实 match 跟其他语言中的 switch 非常像，_ 类似于 switch 中的 default。

match 匹配

首先来看看 match 的通用形式：

match target {
    模式1 => 表达式1,
    模式2 => {
        语句1;
        语句2;
        表达式2
    },
    _ => 表达式3
}

该形式清晰的说明了何为模式，何为模式匹配：将模式与 target 进行匹配，即为模式匹配，而模式匹配不仅仅局限于 match，后面我们会详细阐述。

match 允许我们将一个值与一系列的模式相比较，并根据相匹配的模式执行对应的代码，下面让我们来一一详解，先看一个例子：

enum Coin {
    Penny,
    Nickel,
    Dime,
    Quarter,
}
fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
    match coin {
        Coin::Penny =>  {
            println!("Lucky penny!");
            1
        },
        Coin::Nickel => 5,
        Coin::Dime => 10,
        Coin::Quarter => 25,
    }
}

value_in_cents 函数根据匹配到的硬币，返回对应的美分数值。match 后紧跟着的是一个表达式，跟 if 很像，但是 if 后的表达式必须是一个布尔值，而 match 后的表达式返回值可以是任意类型，只要能跟后面的分支中的模式匹配起来即可，这里的 coin 是枚举 Coin 类型。

接下来是 match 的分支。一个分支有两个部分：一个模式和针对该模式的处理代码。第一个分支的模式是 Coin::Penny，其后的 => 运算符将模式和将要运行的代码分开。这里的代码就仅仅是表达式 1，不同分支之间使用逗号分隔。

当 match 表达式执行时，它将目标值 coin 按顺序依次与每一个分支的模式相比较，如果模式匹配了这个值，那么模式之后的代码将被执行。如果模式并不匹配这个值，将继续执行下一个分支。

每个分支相关联的代码是一个表达式，而表达式的结果值将作为整个 match 表达式的返回值。如果分支有多行代码，那么需要用 {} 包裹，同时最后一行代码需要是一个表达式。

使用 match 表达式赋值

还有一点很重要，match 本身也是一个表达式，因此可以用它来赋值：

enum IpAddr {
   Ipv4,
   Ipv6
}
fn main() {
    let ip1 = IpAddr::Ipv6;
    let ip_str = match ip1 {
        IpAddr::Ipv4 => "127.0.0.1",
        _ => "::1",
    };
    println!("{}", ip_str);
}

因为这里匹配到 _ 分支，所以将 "::1" 赋值给了 ip_str。

模式绑定

模式匹配的另外一个重要功能是从模式中取出绑定的值，例如：

#[derive(Debug)]
enum UsState {
    Alabama,
    Alaska,
    // --snip--
}
enum Coin {
    Penny,
    Nickel,
    Dime,
    Quarter(UsState), // 25美分硬币
}

其中 Coin::Quarter 成员还存放了一个值：美国的某个州（因为在 1999 年到 2008 年间，美国在 25 美分(Quarter)硬币的背后为 50 个州印刷了不同的标记，其它硬币都没有这样的设计）。

接下来，我们希望在模式匹配中，获取到 25 美分硬币上刻印的州的名称：

fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
    match coin {
        Coin::Penny => 1,
        Coin::Nickel => 5,
        Coin::Dime => 10,
        Coin::Quarter(state) => {
            println!("State quarter from {:?}!", state);
            25
        },
    }
}

上面代码中，在匹配 Coin::Quarter(state) 模式时，我们把它内部存储的值绑定到了 state 变量上，因此 state 变量就是对应的 UsState 枚举类型。

例如有一个印了阿拉斯加州标记的 25 分硬币：Coin::Quarter(UsState::Alaska)，它在匹配时，state 变量将被绑定 UsState::Alaska 的枚举值。

穷尽匹配

在文章的开头，我们简单总结过 match 的匹配必须穷尽所有情况，下面来举例说明，例如：

enum Direction {
    East,
    West,
    North,
    South,
}

fn main() {
    let dire = Direction::South;
    match dire {
        Direction::East => println!("East"),
        Direction::North | Direction::South => {
            println!("South or North");
        },
    };
}

我们没有处理 Direction::West 的情况，因此会报错。

不禁想感叹，Rust 的编译器真强大，忍不住想爆粗口了，sorry，如果你以后进一步深入使用 Rust 也会像我这样感叹的。Rust 编译器清晰地知道 match 中有哪些分支没有被覆盖，这种行为能强制我们处理所有的可能性，有效避免传说中价值十亿美金的 null 陷阱。

_ 通配符

当我们不想在匹配时列出所有值的时候，可以使用 Rust 提供的一个特殊模式，例如，u8 可以拥有 0 到 255 的有效的值，但是我们只关心 1、3、5 和 7 这几个值，不想列出其它的 0、2、4、6、8、9 一直到 255 的值。那么, 我们不必一个一个列出所有值, 因为可以使用特殊的模式 _ 替代：

let some_u8_value = 0u8;
match some_u8_value {
    1 => println!("one"),
    3 => println!("three"),
    5 => println!("five"),
    7 => println!("seven"),
    _ => (),
}

通过将 _ 其放置于其他分支后，_ 将会匹配所有遗漏的值。() 表示返回单元类型与所有分支返回值的类型相同，所以当匹配到 _ 后，什么也不会发生。

除了_通配符，用一个变量来承载其他情况也是可以的。

#[derive(Debug)]
enum Direction {
    East,
    West,
    North,
    South,
}
fn main() {
    let dire = Direction::South;
    match dire {
        Direction::East => println!("East"),
        other => println!("other direction: {:?}", other),
    };
}

然而，在某些场景下，我们其实只关心某一个值是否存在，此时 match 就显得过于啰嗦。

if let 匹配

有时会遇到只有一个模式的值需要被处理，其它值直接忽略的场景，如果用 match 来处理就要写成下面这样：

let v = Some(3u8);
match v {
    Some(3) => println!("three"),
    _ => (),
}

我们只想要对 Some(3) 模式进行匹配, 不想处理任何其他 Some<u8> 值或 None 值。但是为了满足 match 表达式（穷尽性）的要求，写代码时必须在处理完这唯一的成员后加上 _ => ()，这样会增加不少无用的代码。

俗话说“杀鸡焉用牛刀”，我们完全可以用 if let 的方式来实现：

if let Some(3) = v {
    println!("three");
}

这两种匹配对于新手来说，可能有些难以抉择，但是只要记住一点就好：当你只要匹配一个条件，且忽略其他条件时就用 if let ，否则都用 match。

matches!宏

Rust 标准库中提供了一个非常实用的宏：matches!，它可以将一个表达式跟模式进行匹配，然后返回匹配的结果 true or false。

例如，有一个动态数组，里面存有以下枚举：

enum MyEnum {
    Foo,
    Bar
}
fn main() {
    let v = vec![MyEnum::Foo,MyEnum::Bar,MyEnum::Foo];
}

现在如果想对 v 进行过滤，只保留类型是 MyEnum::Foo 的元素，你可能想这么写：

v.iter().filter(|x| x == MyEnum::Foo);

但是，实际上这行代码会报错，因为你无法将 x 直接跟一个枚举成员进行比较。好在，你可以使用 match 来完成，但是会导致代码更为啰嗦，是否有更简洁的方式？答案是使用 matches!：

v.iter().filter(|x| matches!(x, MyEnum::Foo));

很简单也很简洁，再来看看更多的例子：

let foo = 'f';
assert!(matches!(foo, 'A'..='Z' | 'a'..='z'));
let bar = Some(4);
assert!(matches!(bar, Some(x) if x > 2));

变量遮蔽

无论是 match 还是 if let，这里都是一个新的代码块，而且这里的绑定相当于新变量，如果你使用同名变量，会发生变量遮蔽：

fn main() {
   let age = Some(30);
   println!("在匹配前，age是{:?}",age);
   if let Some(age) = age {
       println!("匹配出来的age是{}",age);
   }
   println!("在匹配后，age是{:?}",age);
}

cargo run 运行后输出如下：
在匹配前，age是Some(30)
匹配出来的age是30
在匹配后，age是Some(30)

可以看出在 if let 中，= 右边 Some(i32) 类型的 age 被左边 i32 类型的新 age 遮蔽了，该遮蔽一直持续到 if let 语句块的结束。因此第三个 println! 输出的 age 依然是 Some(i32) 类型。

对于 match 类型也是如此:

fn main() {
   let age = Some(30);
   println!("在匹配前，age是{:?}",age);
   match age {
       Some(age) =>  println!("匹配出来的age是{}",age),
       _ => ()
   }
   println!("在匹配后，age是{:?}",age);
}

需要注意的是，match 中的变量遮蔽其实不是那么的容易看出，因此要小心！其实这里最好不要使用同名，避免难以理解，如下。

fn main() {
   let age = Some(30);
   println!("在匹配前，age是{:?}", age);
   match age {
       Some(x) =>  println!("匹配出来的age是{}", x),
       _ => ()
   }
   println!("在匹配后，age是{:?}", age);
}