C# 模式匹配全解：原理、用法与易错点

2025-06-09
福建
本文字数：4055 字
阅读完需：约 13 分钟

引言

随着C#不断发展，"模式匹配"（Pattern Matching）已经成为让代码更加友好、可读和强大的核心特性。从 C# 7.0 初次引入，到 C# 11 的能力扩展，模式匹配为处理类型判断、属性解构、集合匹配等提供了简洁、高效且类型安全的表达方式。它不仅能让 if/switch 等控制结构变得“声明式”，还能带来性能提升。在这篇文章里，我们将深入剖析 C 的所有模式匹配语法和用法，追踪其演变，讲清一些容易混淆和误用的地方，让大家能了解模式匹配本质。

1. 什么是模式匹配

模式匹配本质上是一种表达式判定工具：用以检查一个对象是否与某种“模式”相吻合，如果吻合，还允许对其分解、绑定成员变量。这可以是类型检查、常量判断、属性结构匹配等。

传统 C#写法：

if (person != null && person.Age >= 18 && person is Employee    && ((Employee)person).YearsAtCompany > 5) {    // 处理逻辑}

复制代码

模式匹配写法：

if (person is Employee { Age: >= 18, YearsAtCompany: > 5 }) {    // 处理逻辑}

复制代码

更简洁、可读、类型安全，不需要重复显式强制转型。

2. C#7.0 初代模式匹配特性

2.1 Null 模式与常量模式

C#7.0 首先支持了用is直接与 null 以及常量对比：

if (obj is null) Console.WriteLine("对象为null");if (d is Math.PI) Console.WriteLine("d 是圆周率");if (str is "test") Console.WriteLine("str内容等于test");

复制代码

注意：常量匹配仅支持编译期常量，比如数字、字符串、bool、enum、const 字段和 null。不能直接用非 const 变量或表达式。

这个限制为何存在？

编译器要保证 switch 和 if 全覆盖检查，如果允许变量参与，则难推导 exhaustiveness（全覆盖）。
也可避免不可预期的副作用与逻辑混乱（比如变量运行期改变等）。

2.2 类型模式与变量捕获

类型模式允许 you not only 判断类型，还能直接捕获变量：

if (shape is Circle circle1)     Console.WriteLine($"圆的半径为 {circle1.Radius}");

复制代码

甚至可以链式判断：

if (shape is Rectangle r && r.Width == r.Height)    Console.WriteLine("正方形");

复制代码

非常适用于临时变量创建、减少强制类型转换(显式 as/cast)代码杂音。

`is` vs `as`？

is 结合新模式后可以直接安全声明变量，无需后续 null 检查。
as 后还得写 if (x != null)。

2.3 Discard 与 var 模式

Discard（_）：匹配但忽略，用于 switch 的 default 分支或类型“只是判断，不关心值”。
var：总是匹配成功，并引出变量。通常用于解构场景，比如 switch/case 匹配对象成员。

if (obj is var o)   Console.WriteLine(o); // 不管 obj 是否为null，o 指向原始值（即使null）

复制代码

⚠️ 这里容易误用！

不要用 var 跳过 null 检查。因为这样会把 null 值“吞掉”，造成 NullReferenceError 隐患。

if (p is var _)  {             // 这里仍可能是 null      Console.WriteLine(p.Length); // NullReferenceException  }

复制代码

2.4 switch 语句的模式匹配

传统 switch 只能匹配简单的枚举或数字等，C#7.0 后支持以下写法：

switch (seq) {    case Array a: return a.Length;    case ICollection<T> c: return c.Count;    case IEnumerable<T> _: return seq.Count();    default: return 0;}

复制代码

某类型满足条件即分支命中
Discard case IEnumerable<T> _:
default 处理剩余情况

switch 的 when 子句

when 只能用于 switch：

case Array a when a.Length < 10: return a.Length;

复制代码

无法用于 if！

3. C#8.0: Switch 表达式、属性、位置、元组模式

3.1 表达式 Switch

C#8 引入 switch-表达式，极大提升 switch 可读性和函数式编程体验：

string whatShape = shape switch {    Circle c     => $"circle radius: {c.Radius}",    Rectangle _  => "rectangle",    _            => "null or unknown"};

复制代码

匹配分支是表达式，不能有多条语句

=>右边直接返回值，非常适合表达式体成员：

public static string Describe(this Shape s) => s switch { ... };

复制代码

3.2 属性模式 (Property Patterns)

可直接针对属性表达式判定

if (shape is Circle { Radius: 1.0 })    Console.WriteLine("单位圆");
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"};

复制代码

重点说明：

{ } 代表对象非 null。
{ Width: 10, Height: 5 } 同时要求 2 个属性等于指定值。
{ Width: var x, Height: >5 } 可以对属性用关系操作和抽取变量。
若对象有Deconstruct方法，可用位置/元组模式更优雅。

3.3 位置模式（Positional Patterns）

利用 Deconstruct 抽取变量：

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}",    ...}

复制代码

用于解构类对象（类似元组）
写法类似解构元组

3.4 元组模式

处理多个参数的模式组合：

(c1, c2, c3) switch {    (Color.Blue, Color.White, Color.Red) => "France",    (Color.Green, Color.White, Color.Red) => "Italy",    _ => "Unknown"};

复制代码

有效解决“复杂组合条件冗长”的老大难。
更直观表达多变量匹配，不需层层嵌套。

4. C#9.0: 组合、括号及关系模式

4.1 组合模式（and/or/not）

组合条件极其强大：

c is (>= 'a' and <= 'z') or (>= 'A' and <= 'Z') or '.' or ','

复制代码

等价于：

(c >= 'a' && c <= 'z') || (c >= 'A' && c <= 'Z') || c == '.' || c == ','

复制代码

not 语法

if (obj is not null) { ... }

复制代码

比传统 !(obj is null) 更直观。

4.2 关系模式（Relational Patterns）

直接用 >, <, >=, <= 表达区间

rate = monthlyIncome switch {    >=0 and <1000 => 0,    <5000 => 10,    _ => 20};

复制代码

结合属性/类型模式：

shape switch {    Circle { Radius: >1 and <=10 } => "较合理圆",    Circle { Radius: >10 } => "过大圆",    Rectangle => "矩形",    _ => "不匹配"};

复制代码

4.3 类型模式精简

C#9 类型模式无需 underscore，eg：Rectangle 直接写。

5. C#10.0: 扩展属性模式

支持嵌套点表达式：

之前版本：

x is Person { FirstName: { Length: <=5 } }

复制代码

C#10：

x is Person { FirstName.Length: <=5 }

复制代码

让属性链判定更加直观简洁。

6. C#11.0: 列表与切片模式

6.1 列表模式

让数组/集合结构模式判定成为可能：

if (arr is [1, 2, 3])// 匹配长度为3，内容依次为1,2,3

复制代码

[..]: 切片模式，等价于“0 个或多个元素”
_: 忽略一个元素（discard）

[_, >0, ..]      // 至少2个元素，第二个>0[.., <=0, _]     // 至少2个元素，倒数第二个<=0且不关心最后一个

复制代码

注意：切片只能出现一次。

6.2 列表递归

可以做嵌套匹配：

bool EndsWithSingleIntList(List<List<int>> lists) => lists is [.., [_]];// 至少一个元素，且最后一个是单元素list

复制代码

6.3 支持的结构

只要类型有 Length/Count 属性和支持 [index] 则可用列表模式，如 string、数组、自定义集合（只需这两个成员）。

例如处理国别码：

switch (s) {    case [char c0, char c1]: // 即 s.Length==2        ...}

复制代码

7. 模式匹配背后的实现与性能分析

7.1 不是“魔法”，而是 IL 优化

许多人以为 pattern matching 是一种基于反射或者表达式树的黑魔法。实际上，编译器常常能把很多 pattern 匹配转为高效的“顺序判断”或“跳表”等机器码。

例如：

c is (>= 'a' and <= 'z') or (>= 'A' and <= 'Z') or '.' or ','

复制代码

编译后 Equals:

(c >= 'a' && c <= 'z') || (c >= 'A' && c <= 'Z') || c == '.' || c == ','

复制代码

对于一组常量匹配：

statusCode is 0x1000 or 0x1001 or 0x1002 or 0x2000 or 0x2001 or 0x3000

复制代码

编译器会变换成：

return ((uint)(statusCode - 4096) <= 2u || (uint)(statusCode - 8192) <= 1u || statusCode == 12288);

复制代码

即用范围短路、减少 equals 判断次数。

⚠️ 建议：

对于性能敏感代码，请结合 Benchmark.NET 做实测对比。有时手写的判定和 pattern matching 效果类似，甚至后者更优。

8. 常见误区与最佳实践

8.1 不要用 pattern 替代多态

最容易见的误用是用模式匹配处理继承结构的多态行为：

// xxxpublic static double Area(this Shape shape) => shape switch {    Circle c    => c.Radius * c.Radius * Math.PI,    Rectangle r => r.Width * r.Height};

复制代码

事实上，应该优先用抽象基类/接口的虚方法或属性：

abstract class Shape { public abstract double Area {get;} }
class Circle : Shape {    public double Radius { get; set; }    public override double Area => Radius * Radius * Math.PI;}

复制代码

为什么？

可扩展性强（新子类无需修改 Area 逻辑，符合开闭原则）。
虚调用比类型判定快。
更少维护负担。

8.2 Constant-Only 限制

只有编译期常量才能用于模式匹配，如果需要支持运行时变量，需采用传统判定。

8.3 避免滥用 var/discard

不要用 is var x 跳过 null 检查。
discard _ 只适合确实不关心值的场景，用后不要尝试访问。

8.4 List/Slice 模式性能

使用 [..var arr, x] 这种 slice+变量捕获，编译器可能分配新数组，造成性能下降。大数据集合应谨慎。

9. 小结与展望

Pattern Matching 是现代 C# 代码的“瑞士军刀”，能极大提升 if/else、switch/case 类代码的简洁性、表达力和类型安全性，在 switch 表达式等场景下优势更加明显。它不仅代码层面更美观，也能为某些条件分支提供更优指令级性能。然而，模式匹配并非多态(polymorphism)、虚方法的替代品！业务逻辑与类型分发仍建议用面向对象原则解决。

当前最大限制为：只能用常量做模式判定，变量（非编译期 const）不支持，理由有 exhaustiveness 推导、避免副作用等。后续版本是否会提升，还需 C# 团队权衡设计复杂性。

未来，随着 C# 特性继续演进（如 pattern 泛型化、任意表达式匹配），我们有理由期待模式匹配变得更加强大和灵活。如果你还没用过模式匹配，是时候投入生产实践试试啦！

文章转载自：InCerry
原文链接：https://www.cnblogs.com/InCerry/p/-/introduce-cs-pattern-match
体验地址：http://www.jnpfsoft.com/?from=001YH

发布于: 2025-06-09阅读数: 2

量贩潮汐·WholesaleTide

关注

还未添加个人签名 2025-04-01 加入

还未添加个人简介

发布

暂无评论

创作场景

C# 模式匹配全解：原理、用法与易错点

引言

1. 什么是模式匹配

2. C#7.0 初代模式匹配特性

2.1 Null 模式与常量模式

这个限制为何存在？

2.2 类型模式与变量捕获

is vs as？

2.3 Discard 与 var 模式

⚠️ 这里容易误用！

2.4 switch 语句的模式匹配

switch 的 when 子句

3. C#8.0: Switch 表达式、属性、位置、元组模式

3.1 表达式 Switch

3.2 属性模式 (Property Patterns)

重点说明：

3.3 位置模式（Positional Patterns）

3.4 元组模式

4. C#9.0: 组合、括号及关系模式

4.1 组合模式（and/or/not）

not 语法

4.2 关系模式（Relational Patterns）

4.3 类型模式精简

5. C#10.0: 扩展属性模式

6. C#11.0: 列表与切片模式

6.1 列表模式

6.2 列表递归

6.3 支持的结构

7. 模式匹配背后的实现与性能分析

7.1 不是“魔法”，而是 IL 优化

⚠️ 建议：

8. 常见误区与最佳实践

8.1 不要用 pattern 替代多态

8.2 Constant-Only 限制

8.3 避免滥用 var/discard

8.4 List/Slice 模式性能

9. 小结与展望

量贩潮汐·WholesaleTide

评论

`is` vs `as`？