C# 模式匹配全解：原理、用法与易错点

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。

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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
}

模式匹配写法：

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

更简洁、可读、类型安全，不需要重复显式强制转型。

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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");

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}");

甚至可以链式判断：

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

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）

⚠️ 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  
}  

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;
}

• 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;

无法用于 if！

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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"
};

• 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 { ... };

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"
};

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}",
    ...
}

• 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"
};

• 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。

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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 ','

等价于：

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

not 语法

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

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
};

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"
};

4.3 类型模式精简

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

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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 } }

C#10：

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

让属性链判定更加直观简洁。

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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

• [..]: 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

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

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
        ...
}

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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 ','

编译后 Equals:

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

对于一组常量匹配：

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

编译器会变换成：

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

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。

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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：

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

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;
}

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。

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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！