【Python】Python 3.10 新特性之 match case语句

PEP 634：结构化模式匹配¶

增加了采用模式加上相应动作的 match 语句 和 case 语句 的形式的结构化模式匹配。 模式由序列、映射、基本数据类型以及类实例构成。 模式匹配使得程序能够从复杂的数据类型中提取信息、根据数据结构实现分支，并基于不同的数据形式应用特定的动作。

语法与操作

模式匹配的通用语法如下:

match subject:
    case <pattern_1>:
        <action_1>
    case <pattern_2>:
        <action_2>
    case <pattern_3>:
        <action_3>
    case _:
        <action_wildcard>

match 语句接受一个表达式并将其值与以一个或多个 case 语句块形式给出的一系列模式进行比较。 具体来说，模式匹配的操作如下：

1. 使用具有特定类型和形状的数据 (subject)

2. 针对 subject 在 match 语句中求值

3. 从上到下对 subject 与 case 语句中的每个模式进行比较直到确认匹配到一个模式。

4. 执行与被确认匹配的模式相关联的动作。

5. 如果没有确认到一个完全的匹配，则如果提供了使用通配符 _ 的最后一个 case 语句，则它将被用作已匹配模式。 如果没有确认到一个完全的匹配并且不存在使用通配符的 case 语句，则整个 match 代码块不执行任何操作。

声明性方式

读者可能是通过 C, Java 或 JavaScript (以及其他许多语言) 中的 switch 语句将一个目标 (数据对象) 与一个字面值 (模式) 进行匹配的简单例子了解到模式匹配的概念的。 switch 语句常常被用来将一个对象/表达式与包含在 case 语句中的字面值进行比较。

更强大的模式匹配例子可以在 Scala 和 Elixir 等语言中找到。 这种结构化模式匹配方式是“声明性”的并且会显式地为所要匹配的数据指定条件（模式）。

虽然使用嵌套的“if”语句的“命令性”系列指令可以被用来完成类似结构化模式匹配的效果，但它没有“声明性”方式那样清晰。 相反地，“声明性”方式指定了一个匹配所要满足的条件，并且通过其显式的模式使之更为易读。 虽然结构化模式匹配可以采取将一个变量与一个 case 语句中的字面值进行比较的最简单形式来使用，但它对于 Python 的真正价值在于其针对目标类型和形状的处理操作。

简单模式：匹配一个字面值

让我们把这个例子看作是模式匹配的最简单形式：一个值，即主词，被匹配到几个字面值，即模式。在下面的例子中，status 是匹配语句的主词。模式是每个 case 语句，字面值代表请求状态代码。匹配后，将执行与该 case 相关的动作：

def http_error(status):
    match status:
        case 400:
            return "Bad request"
        case 404:
            return "Not found"
        case 418:
            return "I'm a teapot"
        case _:
            return "Something's wrong with the internet"

如果传给上述函数的 status 为 418，则会返回 "I'm a teapot"。 如果传给上述函数的 status 为 500，则带有 _ 的 case 语句将作为通配符匹配，并会返回 "Something's wrong with the internet"。 请注意最后一个代码块：变量名 _ 将作为 通配符 并确保目标将总是被匹配。 _ 的使用是可选的。

你可以使用 | （“ or ”）在一个模式中组合几个字面值:

case 401 | 403 | 404:
    return "Not allowed"

无通配符的行为

如果我们修改上面的例子，去掉最后一个 case 块，这个例子就变成:

def http_error(status):
    match status:
        case 400:
            return "Bad request"
        case 404:
            return "Not found"
        case 418:
            return "I'm a teapot"

如果不在 case 语句中使用 _，可能会出现不存在匹配的情况。如果不存在匹配，则行为是一个 no-op。例如，如果传入了值为 500 的 status ，就会发生 no-op。

带有字面值和变量的模式

模式可以看起来像解包形式，而且模式可以用来绑定变量。在这个例子中，一个数据点可以被解包为它的 x 坐标和 y 坐标:

# point is an (x, y) tuple
match point:
    case (0, 0):
        print("Origin")
    case (0, y):
        print(f"Y={y}")
    case (x, 0):
        print(f"X={x}")
    case (x, y):
        print(f"X={x}, Y={y}")
    case _:
        raise ValueError("Not a point")

第一个模式有两个字面值 (0, 0) ，可以看作是上面所示字面值模式的扩展。接下来的两个模式结合了一个字面值和一个变量，而变量 绑定 了一个来自主词的值（point）。 第四种模式捕获了两个值，这使得它在概念上类似于解包赋值 (x, y) = point 。

模式和类

如果你使用类来结构化你的数据，你可以使用类的名字，后面跟一个类似构造函数的参数列表，作为一种模式。这种模式可以将类的属性捕捉到变量中:

class Point:
    x: int
    y: int

def location(point):
    match point:
        case Point(x=0, y=0):
            print("Origin is the point's location.")
        case Point(x=0, y=y):
            print(f"Y={y} and the point is on the y-axis.")
        case Point(x=x, y=0):
            print(f"X={x} and the point is on the x-axis.")
        case Point():
            print("The point is located somewhere else on the plane.")
        case _:
            print("Not a point")

带有位置参数的模式

你可以在某些为其属性提供了排序的内置类（例如 dataclass）中使用位置参数。 你也可以通过在你的类中设置 __match_args__ 特殊属性来为模式中的属性定义一个专门的位置。 如果它被设为 ("x", "y")，则以下模式均为等价的（并且都是将 y 属性绑定到 var 变量）:

Point(1, var)
Point(1, y=var)
Point(x=1, y=var)
Point(y=var, x=1)

嵌套模式

模式可以任意地嵌套。 例如，如果我们的数据是由点组成的短列表，则它可以这样被匹配:

match points:
    case []:
        print("No points in the list.")
    case [Point(0, 0)]:
        print("The origin is the only point in the list.")
    case [Point(x, y)]:
        print(f"A single point {x}, {y} is in the list.")
    case [Point(0, y1), Point(0, y2)]:
        print(f"Two points on the Y axis at {y1}, {y2} are in the list.")
    case _:
        print("Something else is found in the list.")

复杂模式和通配符

到目前为止，这些例子仅在最后一个 case 语句中使用了 _。 但通配符可以被用在更复杂的模式中，例如 ('error', code, _)。 举例来说:

match test_variable:
    case ('warning', code, 40):
        print("A warning has been received.")
    case ('error', code, _):
        print(f"An error {code} occurred.")

在上述情况下，test_variable 将可匹配 ('error', code, 100) 和 ('error', code, 800)。

约束项

我们可以向一个模式添加 if 子句，称为“约束项”。 如果约束项为假值，则 match 将继续尝试下一个 case 语句块。 请注意值的捕获发生在约束项被求值之前。:

match point:
    case Point(x, y) if x == y:
        print(f"The point is located on the diagonal Y=X at {x}.")
    case Point(x, y):
        print(f"Point is not on the diagonal.")

其他关键特性

一些其他关键特性:

• 类似于解包赋值，元组和列表模式具有完全相同的含义，而且实际上能匹配任意序列。 从技术上说，目标必须为一个序列。 因而，一个重要的例外是模式不能匹配迭代器。 而且，为了避免一个常见的错误，序列模式不能匹配字符串。

• 序列模式支持通配符: [x, y, *rest] 和 (x, y, *rest) 的作用类似于解包赋值中的通配符。 在 * 之后的名称也可以为 _，因此 (x, y, *_) 可以匹配包含两个条目的序列而不必绑定其余的条目。

• 映射模式: {"bandwidth": b, "latency": l} 会从一个字典中捕获 "bandwidth" 和 "latency" 值。 与序列模式不同，额外的键会被忽略。 也支持通配符 **rest。 （但 **_ 是冗余的，因而不被允许。）

• 子模式可使用 as 关键字来捕获:

  case (Point(x1, y1), Point(x2, y2) as p2): ...

  x1, y1, x2, y2 等绑定就如你在没有 as 子句的情况下所期望的，而 p2 会绑定目标的整个第二项。

• 大多数字面值是按相等性比较的。 但是，单例对象 True, False 和 None 则是按标识号比较的。

• 命名常量也可以在模式中使用。 这些命名常量必须为带点号的名称以防止常量被解读为捕获变量:

  from enum import Enum
  class Color(Enum):
      RED = 0
      GREEN = 1
      BLUE = 2
  
  match color:
      case Color.RED:
          print("I see red!")
      case Color.GREEN:
          print("Grass is green")
      case Color.BLUE:
          print("I'm feeling the blues :(")

完整规格说明参见 PEP 634。 动机与理由参见 PEP 635，更详细的教程参见 PEP 636。