Rust 程序设计语言

match 控制流结构

Rust 有一个极为强大的控制流结构叫做 match，它允许你将一个值与一系列模式进行比较，然后根据匹配的模式执行相应的代码。模式可以由字面量值、变量名、通配符和许多其他内容组成；第 19 章涵盖了所有不同种类的模式及其作用。match 的强大之处在于模式的表达力，以及编译器会确认所有可能的情况都已被处理。

可以把 match 表达式想象成一台硬币分拣机：硬币沿着轨道滑下，轨道上有各种大小的孔，每枚硬币会掉入它遇到的第一个合适的孔中。同样地，值会依次通过 match 中的每个模式，在第一个“匹配“的模式处，值会落入相关联的代码块中执行。

说到硬币，让我们用它来作为 match 的示例！我们可以编写一个函数，接受一枚未知的美国硬币，以类似于计数机的方式确定它是哪种硬币，并返回其面值（以美分为单位），如示例 6-3 所示。

enum Coin {
    Penny,
    Nickel,
    Dime,
    Quarter,
}

fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
    match coin {
        Coin::Penny => 1,
        Coin::Nickel => 5,
        Coin::Dime => 10,
        Coin::Quarter => 25,
    }
}

fn main() {}

让我们来分解 value_in_cents 函数中的 match。首先，我们写下 match 关键字，后跟一个表达式，在本例中是值 coin。这看起来与 if 使用的条件表达式非常相似，但有一个很大的区别：使用 if 时，条件需要求值为布尔值，而这里可以是任何类型。本例中 coin 的类型是我们在第一行定义的 Coin 枚举。

接下来是 match 的分支（arm）。一个分支有两个部分：一个模式和一些代码。这里的第一个分支的模式是值 Coin::Penny，然后是 => 运算符，它将模式和要运行的代码分隔开。这个分支中的代码只是值 1。每个分支之间用逗号分隔。

当 match 表达式执行时，它会按顺序将结果值与每个分支的模式进行比较。如果模式匹配了该值，则执行与该模式关联的代码。如果该模式不匹配，则继续执行下一个分支，就像硬币分拣机一样。我们可以拥有任意多个分支：在示例 6-3 中，我们的 match 有四个分支。

与每个分支关联的代码是一个表达式，匹配分支中表达式的结果值就是整个 match 表达式的返回值。

如果匹配分支的代码很短，我们通常不使用花括号，就像示例 6-3 中每个分支只返回一个值那样。如果你想在一个匹配分支中运行多行代码，就必须使用花括号，此时分支后面的逗号是可选的。例如，以下代码在每次使用 Coin::Penny 调用方法时打印“Lucky penny!“，但仍然返回代码块的最后一个值 1：

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,
    }
}

fn main() {}

绑定值的模式

匹配分支的另一个有用特性是它们可以绑定匹配模式中的部分值。这就是我们从枚举成员中提取值的方式。

举个例子，让我们修改一个枚举成员使其内部持有数据。从 1999 年到 2008 年，美国在 25 美分硬币的一面铸造了 50 个州各自不同的设计。其他硬币没有州的设计，所以只有 25 美分硬币有这个额外的值。我们可以通过修改 Quarter 成员来包含一个存储在内部的 UsState 值，将这个信息添加到我们的 enum 中，如示例 6-4 所示。

#[derive(Debug)] // so we can inspect the state in a minute
enum UsState {
    Alabama,
    Alaska,
    // --snip--
}

enum Coin {
    Penny,
    Nickel,
    Dime,
    Quarter(UsState),
}

fn main() {}

假设一个朋友正在尝试收集所有 50 个州的 25 美分硬币。在我们按硬币类型分拣零钱的同时，我们还会报出每枚 25 美分硬币对应的州名，这样如果是我们朋友没有的，他们就可以将其加入收藏。

在这段代码的 match 表达式中，我们在匹配 Coin::Quarter 成员值的模式中添加了一个名为 state 的变量。当 Coin::Quarter 匹配时，state 变量将绑定到该 25 美分硬币的州值。然后我们可以在该分支的代码中使用 state，如下所示：

#[derive(Debug)]
enum UsState {
    Alabama,
    Alaska,
    // --snip--
}

enum Coin {
    Penny,
    Nickel,
    Dime,
    Quarter(UsState),
}

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
        }
    }
}

fn main() {
    value_in_cents(Coin::Quarter(UsState::Alaska));
}

如果我们调用 value_in_cents(Coin::Quarter(UsState::Alaska))，coin 将是 Coin::Quarter(UsState::Alaska)。当我们将该值与每个匹配分支进行比较时，在到达 Coin::Quarter(state) 之前没有任何分支匹配。此时，state 的绑定值将是 UsState::Alaska。然后我们可以在 println! 表达式中使用该绑定，从而从 Coin 枚举的 Quarter 成员中获取内部的州值。

匹配 Option<T>

在上一节中，我们想从 Option<T> 的 Some 情况中获取内部的 T 值；我们同样可以使用 match 来处理 Option<T>，就像处理 Coin 枚举一样！我们不再比较硬币，而是比较 Option<T> 的成员，但 match 表达式的工作方式保持不变。

假设我们想编写一个函数，接受一个 Option<i32>，如果内部有值，就将该值加 1。如果内部没有值，函数应返回 None 值，不尝试执行任何操作。

得益于 match，这个函数非常容易编写，如示例 6-5 所示。

fn main() {
    fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
        match x {
            None => None,
            Some(i) => Some(i + 1),
        }
    }

    let five = Some(5);
    let six = plus_one(five);
    let none = plus_one(None);
}

让我们更详细地检查 plus_one 的第一次执行。当我们调用 plus_one(five) 时，plus_one 函数体中的变量 x 将具有值 Some(5)。然后我们将其与每个匹配分支进行比较：

fn main() {
    fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
        match x {
            None => None,
            Some(i) => Some(i + 1),
        }
    }

    let five = Some(5);
    let six = plus_one(five);
    let none = plus_one(None);
}

Some(5) 值不匹配模式 None，所以我们继续到下一个分支：

fn main() {
    fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
        match x {
            None => None,
            Some(i) => Some(i + 1),
        }
    }

    let five = Some(5);
    let six = plus_one(five);
    let none = plus_one(None);
}

Some(5) 匹配 Some(i) 吗？匹配！我们有相同的成员。i 绑定到 Some 中包含的值，所以 i 的值为 5。然后执行匹配分支中的代码，我们将 i 的值加 1，并用总计值 6 创建一个新的 Some 值。

现在让我们考虑示例 6-5 中 plus_one 的第二次调用，此时 x 是 None。我们进入 match 并与第一个分支进行比较：

fn main() {
    fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
        match x {
            None => None,
            Some(i) => Some(i + 1),
        }
    }

    let five = Some(5);
    let six = plus_one(five);
    let none = plus_one(None);
}

匹配了！没有值可以相加，所以程序停止并返回 => 右侧的 None 值。因为第一个分支就匹配了，所以不会再比较其他分支。

将 match 与枚举结合在许多场景中都很有用。你会在 Rust 代码中经常看到这种模式：对枚举进行 match，将一个变量绑定到内部的数据，然后基于它执行代码。一开始可能有点难以理解，但一旦习惯了，你会希望所有语言都有这个特性。它一直是用户的最爱。

匹配是穷尽的

我们还需要讨论 match 的另一个方面：分支的模式必须覆盖所有可能性。考虑以下这个有 bug 且无法编译的 plus_one 函数版本：

fn main() {
    fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
        match x {
            Some(i) => Some(i + 1),
        }
    }

    let five = Some(5);
    let six = plus_one(five);
    let none = plus_one(None);
}

我们没有处理 None 的情况，所以这段代码会导致 bug。幸运的是，这是 Rust 能够捕获的 bug。如果我们尝试编译这段代码，会得到以下错误：

$ cargo run
   Compiling enums v0.1.0 (file:///projects/enums)
error[E0004]: non-exhaustive patterns: `None` not covered
 --> src/main.rs:3:15
  |
3 |         match x {
  |               ^ pattern `None` not covered
  |
note: `Option<i32>` defined here
 --> /rustc/1159e78c4747b02ef996e55082b704c09b970588/library/core/src/option.rs:593:1
 ::: /rustc/1159e78c4747b02ef996e55082b704c09b970588/library/core/src/option.rs:597:5
  |
  = note: not covered
  = note: the matched value is of type `Option<i32>`
help: ensure that all possible cases are being handled by adding a match arm with a wildcard pattern or an explicit pattern as shown
  |
4 ~             Some(i) => Some(i + 1),
5 ~             None => todo!(),
  |

For more information about this error, try `rustc --explain E0004`.
error: could not compile `enums` (bin "enums") due to 1 previous error

Rust 知道我们没有覆盖所有可能的情况，甚至知道我们忘记了哪个模式！Rust 中的匹配是穷尽的（exhaustive）：我们必须穷举所有可能性，代码才能有效。特别是在 Option<T> 的情况下，当 Rust 阻止我们忘记显式处理 None 的情况时，它保护我们免于假设自己拥有一个值而实际上可能是空值，从而使前面讨论的价值十亿美元的错误变得不可能发生。

通配模式和 _ 占位符

使用枚举时，我们还可以对少数特定值采取特殊操作，而对所有其他值采取一个默认操作。想象一下我们正在实现一个游戏，如果你掷骰子掷出 3，你的玩家不移动，而是获得一顶新的花哨帽子。如果你掷出 7，你的玩家失去一顶花哨帽子。对于所有其他值，你的玩家在游戏棋盘上移动相应的格数。这是一个实现该逻辑的 match，其中骰子掷出的结果是硬编码的而非随机值，所有其他逻辑用没有函数体的函数表示，因为实际实现它们超出了本示例的范围：

fn main() {
    let dice_roll = 9;
    match dice_roll {
        3 => add_fancy_hat(),
        7 => remove_fancy_hat(),
        other => move_player(other),
    }

    fn add_fancy_hat() {}
    fn remove_fancy_hat() {}
    fn move_player(num_spaces: u8) {}
}

对于前两个分支，模式是字面量值 3 和 7。对于覆盖所有其他可能值的最后一个分支，模式是我们选择命名为 other 的变量。为 other 分支运行的代码通过将该变量传递给 move_player 函数来使用它。

即使我们没有列出 u8 可能具有的所有值，这段代码也能编译，因为最后一个模式将匹配所有未被特别列出的值。这个通配（catch-all）模式满足了 match 必须穷尽的要求。注意，我们必须将通配分支放在最后，因为模式是按顺序求值的。如果我们把通配分支放在前面，其他分支将永远不会运行，所以如果我们在通配分支之后添加分支，Rust 会警告我们！

Rust 还有一个模式，当我们想要通配但不想使用通配模式中的值时可以使用：_ 是一个特殊模式，它匹配任何值但不绑定到该值。这告诉 Rust 我们不会使用该值，所以 Rust 不会警告我们有未使用的变量。

让我们改变游戏规则：现在，如果你掷出 3 或 7 以外的任何数字，你必须重新掷。我们不再需要使用通配值，所以可以将代码改为使用 _ 而不是名为 other 的变量：

fn main() {
    let dice_roll = 9;
    match dice_roll {
        3 => add_fancy_hat(),
        7 => remove_fancy_hat(),
        _ => reroll(),
    }

    fn add_fancy_hat() {}
    fn remove_fancy_hat() {}
    fn reroll() {}
}

这个示例同样满足穷尽性要求，因为我们在最后一个分支中显式地忽略了所有其他值；我们没有遗漏任何东西。

最后，让我们再次改变游戏规则，如果你掷出 3 或 7 以外的任何数字，你的回合什么也不会发生。我们可以使用单元值（我们在“元组类型”部分提到的空元组类型）作为 _ 分支的代码来表达这一点：

fn main() {
    let dice_roll = 9;
    match dice_roll {
        3 => add_fancy_hat(),
        7 => remove_fancy_hat(),
        _ => (),
    }

    fn add_fancy_hat() {}
    fn remove_fancy_hat() {}
}

这里我们明确告诉 Rust，我们不会使用任何不匹配前面分支模式的其他值，并且在这种情况下不想运行任何代码。

关于模式和匹配还有更多内容，我们将在第 19 章中介绍。现在我们将继续学习 if let 语法，它在 match 表达式显得有些冗长的情况下很有用。