话说模式匹配(1): 什么是模式?

一些刚从java转到scala的同学在开发的过程中犹如深陷沼泽,因为很多的概念或风格不确定,scala里有很多的坑,模式匹配也算一个。我整理了一下自己所理解的概念,以及一些例子。这个系列最好有些scala的基本经验,或者接触过一些其他函数式语言。

要理解模式匹配(pattern-matching),先把这两个单词拆开,先理解什么是模式(pattern),这里所的模式并不是设计模式里的模式,而是数据结构上的,这个模式用于描述一个结构的组成。

我们很容易联想到“正则表达”里的模式,不错,这个pattern和正则里的pattern相似,不过适用范围更广,可以针对各种类型的数据结构,不像正则表达只是针对字符串。比如正则表达式里 "^A.*" 这个pattern 表示以A开头、后续一个或多个字符组成的字符串;List("A", _, _*) 也是个pattern,表示第一个元素是”A”,后续一个或多个元素的List。

狭义的看,模式可以当作对某个类型,其内部数据在结构上抽象出来的表达式。如上面的List("A", _, _*)就是一种List结构的pattern。模式匹配(pattern-matching)则是匹配变量是否符合这种pattern。比如List("A","B")List("A","X","Y") 就符合上面的pattern,而List("X")则不符合。

直观的看几个例子:

// 匹配一个数组,它由三个元素组成,第一个元素为1,第二个元素为2,第三个元素为3
scala> Array(1,2,3) match { case Array(1,2,3) => println("ok")}
ok

// 匹配一个数组,它至少由一个元素组成,第一个元素为1
scala> Array(1,2,3) match { case Array(1,_*) => println("ok")}
ok

// 匹配一个List,它由三个元素组成,第一个元素为“A",第二个元素任意类型,第三个元素为"C"
scala> List("A","B","C") match{ case List("A",_,"C") => println("ok") }
ok

例子中的:Array(1,2,3)List("A",_,"C") 等都是模式,表示由指定元素组成的某种类型。
当然模式也不仅仅是表示某种结构的,还可以是常量,或类型,如:

scala> val a = 100
a: Int = 100

// 常量模式,如果a与100相等则匹配成功
scala> a match { case 100 => println("ok") }
ok

// 类型模式,如果a是Int类型就匹配成功
scala> a match { case _:Int => println("ok") }
ok

在 scala里对pattern有明确的定义,在形式上有以下几种pattern:

1)常量模式(constant patterns) 包含常量变量和常量字面量

scala> val site = "alibaba.com"
scala> site match { case "alibaba.com" => println("ok") }
scala> val ALIBABA="alibaba.com"
//注意这里常量必须以大写字母开头
scala> def foo(s:String) { s match { case ALIBABA => println("ok") } } 

常量模式和普通的 if 比较两个对象是否相等(equals) 没有区别,并没有感觉到什么威力

2) 变量模式(variable patterns)

确切的说单纯的变量模式没有匹配判断的过程,只是把传入的对象给起了一个新的变量名。

scala> site match { case whateverName => println(whateverName) }

上面把要匹配的 site对象用 whateverName 变量名代替,所以它总会匹配成功。不过这里有个约定,对于变量,要求必须是以小写字母开头,否则会把它对待成一个常量变量,比如上面的whateverName 如果写成WhateverName就会去找这个WhateverName的变量,如果找到则比较相等性,找不到则出错。

变量模式通常不会单独使用,而是在多种模式组合时使用,比如

List(1,2) match{ case List(x,2) => println(x) }

里面的x就是对匹配到的第一个元素用变量x标记。

3) 通配符模式(wildcard patterns)

通配符用下划线表示:"_" ,可以理解成一个特殊的变量或占位符。
单纯的通配符模式通常在模式匹配的最后一行出现,case _ => 它可以匹配任何对象,用于处理所有其它匹配不成功的情况。
通配符模式也常和其他模式组合使用:

scala> List(1,2,3) match{ case List(_,_,3) => println("ok") }

上面的 List(_,_,3) 里用了2个通配符表示第一个和第二个元素,这2个元素可以是任意类型
通配符通常用于代表所不关心的部分,它不像变量模式可以后续的逻辑中使用这个变量。

4) 构造器模式(constructor patterns)

这个是真正能体现模式匹配威力的一个模式!
我们来定义一个二叉树:

scala> :paste
//抽象节点
trait Node 
//具体的节点实现,有两个子节点
case class TreeNode(v:String, left:Node, right:Node) extends Node 
//Tree,构造参数是根节点
case class Tree(root:TreeNode)  

这样我们构造一个根节点含有2个子节点的数:

scala>val tree = Tree(TreeNode("root",TreeNode("left",null,null),TreeNode("right",null,null)))

如果我们期望一个树的构成是根节点的左子节点值为”left”,右子节点值为”right”并且右子节点没有子节点
那么可以用下面的方式匹配:

scala> tree.root match { 
        case TreeNode(_, TreeNode("left",_,_), TreeNode("right",null,null)) =>
             println("bingo") 
    }

只要一行代码就可以很清楚的描述,如果用java实现,是不是没这么直观呢?

5) 类型模式(type patterns)

类型模式很简单,就是判断对象是否是某种类型:

scala> "hello" match { case _:String => println("ok") }

跟 isInstanceOf 判断类型的效果一样,需要注意的是scala匹配泛型时要注意,
比如

scala> def foo(a:Any) = a match { 
            case a :List[String] => println("ok"); 
            case _ => 
        } 

如果使用了泛型,它会被擦拭掉,如同java的做法,所以上面的 List[String] 里的String运行时并不能检测
foo(List("A"))foo(List(2)) 都可以匹配成功。实际上上面的语句编译时就会给出警告,但并不出错。
通常对于泛型直接用通配符替代,上面的写为 case a : List[_] => …

6) 变量绑定模式 (variable binding patterns)

这个和前边的变量模式有什么不同?看一下代码就清楚了:
依然是上面的TreeNode,如果我们希望匹配到左边节点值为”left”就返回这个节点的话:

scala> tree.root match { 
         case TreeNode(_, leftNode@TreeNode("left",_,_), _) => leftNode 
        }

@符号绑定 leftNode变量到匹配到的左节点上,只有匹配成功才会绑定

另外解释一下抽取器模式(extractor patterns),一些资料里也会提到这个模式
抽取器是一种实现模式匹配的技术方式,在表现上,抽取器模式与构造器模式一致,都是 case A(e1,e2) => 这样的形式。

在《Programming in scala》一书中提到 序列模式(sequence patterns),针对所有SeqFactory的子类,它其实就是抽取器模式。在表达形式上 case List(1,2,3) => …case Array("a","b") => … 看着与构造器模式一模一样(就是背后实现有所不同)所以在模式的表现形式上,不适合把它划为一类,非要把 序列模式构造器模式区分的话,也是从它们背后的实现上,而不是表现上

另外《Programming in scala》一书中也单独提到 元组模式(tuple patterns),元组模式本质上也是一个构造器模式。

了解完模式匹配的感念后,我们后续再看一下scala里是怎么实现模式匹配的

//补充

摘自《ML程序设计教程》:

模式(pattern) 是一个只包含变量、构造子和通配符的表达式。

构造子包括:1) 数、字符和字符串常量。2)序偶、元组和记录结构。3)表和数据类型的构造子

在模式中,所有不是构造子的名字都是变量。任何它们在模式之外可能拥有的意思都无效了。

模式中的变量必须彼此不同。这些条件保证了值可以有效地和模式进行匹配,并且以唯一的方式通过分析绑定到变量上去。

话说模式匹配(1): 什么是模式?》上有9条评论

  1. Pingback引用通告: 话说模式匹配(7) 一个构造器模式的例子(by case class) | 并发编程网 - ifeve.com

  2. lcn

    不知道你这篇什么时候写的,类型模式的问题可以有绕开的办法:http://stackoverflow.com/a/16057002/2073130, 供读到你这篇的人参考。

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    1. hongjiang 文章作者

      这篇是2013年年初写的,当时为了在并发编程网上介绍一下scala相关的知识,后来腾到自己的blog上。看了stackoverflow上的做法,没错,针对带有泛型参数的类型匹配,改为构造器模式可以绕开;
      或对泛型参数声明 Manifest/TypeTag 是可以在运行时保持泛型参数类型的信息的。

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      1. 刘涛

        老师,我今年6月份入手了一本《Scala函数式编程》,译者第一个名字就是王宏江,再看看你博客的域名,想必是同一个人了。处于对函数式编程的兴趣,正在学习这本书。

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  3. TonyGon

    第一次看到国人这么用心的原创博客。
    受教了。
    谢谢分享。

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  4. dogstar

    我最近也刚看完《Scala函数式编程》,确实翻译得很不错,还看到了这么用心的博客,不用心学习着实浪费了作者的用心。

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