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。
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：

1. if (person != null && person.Age >= 18 && person is Employee
2.     && ((Employee)person).YearsAtCompany > 5) {
3.     // 处理逻辑
4. }

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模式匹配写法：

1. if (person is Employee { Age: >= 18, YearsAtCompany: > 5 }) {
2.     // 处理逻辑
3. }

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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：

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

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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：

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

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甚至可以链式判断：

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

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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。
  

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

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⚠️ 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。

1. if (p is var _)  
2. {             // 这里仍可能是 null  
3.     Console.WriteLine(p.Length); // NullReferenceException  
4. }  

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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：

1. switch (seq) {
2.     case Array a: return a.Length;
3.     case ICollection<T> c: return c.Count;
4.     case IEnumerable<T> _: return seq.Count();
5.     default: return 0;
6. }

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

switch 的 when 子句

when 只能用于 switch：

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

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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：

1. string whatShape = shape switch {
2.     Circle c     => $"circle radius: {c.Radius}",
3.     Rectangle _  => "rectangle",
4.     _            => "null or unknown"
5. };

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• 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：

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

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3.2 属性模式 (Property Patterns)

可直接针对属性表达式判定

1. if (shape is Circle { Radius: 1.0 })
2.     Console.WriteLine("单位圆");
4. whatShape = shape switch {
5.     Rectangle { Width: 10, Height: 5 } => "10x5 矩形",
6.     Rectangle { Width: var x, Height: var y } => $"rect: {x}x{y}",
7.     { } => "非null",
8.     _ => "null"
9. };

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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：

1. public void Deconstruct(out double w, out double h) => (w, h) = (Width, Height);
3. shape switch {
4.     Rectangle(var x, var y) => $"矩形尺寸:{x}x{y}",
5.     ...
6. }

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• 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：

1. (c1, c2, c3) switch {
2.     (Color.Blue, Color.White, Color.Red) => "France",
3.     (Color.Green, Color.White, Color.Red) => "Italy",
4.     _ => "Unknown"
5. };

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• 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：

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

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结合属性/类型模式：

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

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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：

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

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事实上，应该优先用抽象基类/接口的虚方法或属性：

1. rate = monthlyIncome switch {
2.     >=0 and <1000 => 0,
3.     <5000 => 10,
4.     _ => 20
5. };

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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！

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