match 控制流运算符

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commit b374e75f1d7b743c84a6bb1ef72579a6588bcb8a

Rust 有一个叫做 match 的极为强大的控制流运算符，它允许我们将一个值与一系列的模式相比较，并根据相匹配的模式执行相应代码。模式可由字面值、变量、通配符和许多其他内容构成；第十八章会涉及到所有不同种类的模式以及它们的作用。match 的力量来源于模式的表现力以及编译器检查，它确保了所有可能的情况都得到处理。

可以把 match 表达式想象成某种硬币分类器：硬币滑入有着不同大小孔洞的轨道，每一个硬币都会掉入符合它大小的孔洞。同样地，值也会通过 match 的每一个模式，并且在遇到第一个 “符合” 的模式时，值会进入相关联的代码块并在执行中被使用。

因为刚刚提到了硬币，让我们用它们来作为一个使用 match 的例子！我们可以编写一个函数来获取一个未知的硬币，并以一种类似验钞机的方式，确定它是何种硬币并返回它的美分值，如示例 6-3 中所示。

  1. enum Coin {
  2.     Penny,
  3.     Nickel,
  4.     Dime,
  5.     Quarter,
  6. }
  8. fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
  9.     match coin {
  10.         Coin::Penny => 1,
  11.         Coin::Nickel => 5,
  12.         Coin::Dime => 10,
  13.         Coin::Quarter => 25,
  14.     }
  15. }

示例 6-3：一个枚举和一个以枚举成员作为模式的 match 表达式

拆开 value_in_cents 函数中的 match 来看。首先，我们列出 match 关键字后跟一个表达式，在这个例子中是 coin 的值。这看起来非常像 if 使用的表达式，不过这里有一个非常大的区别：对于 if，表达式必须返回一个布尔值，而这里它可以是任何类型的。例子中的 coin 的类型是示例 6-3 中定义的 Coin 枚举。

接下来是 match 的分支。一个分支有两个部分：一个模式和一些代码。第一个分支的模式是值 Coin::Penny 而之后的 => 运算符将模式和将要运行的代码分开。这里的代码就仅仅是值 1。每一个分支之间使用逗号分隔。

当 match 表达式执行时，它将结果值按顺序与每一个分支的模式相比较。如果模式匹配了这个值，这个模式相关联的代码将被执行。如果模式并不匹配这个值，将继续执行下一个分支，非常类似一个硬币分类器。可以拥有任意多的分支：示例 6-3 中的 match 有四个分支。

每个分支相关联的代码是一个表达式，而表达式的结果值将作为整个 match 表达式的返回值。

如果分支代码较短的话通常不使用大括号，正如示例 6-3 中的每个分支都只是返回一个值。如果想要在分支中运行多行代码，可以使用大括号。例如，如下代码在每次使用Coin::Penny 调用时都会打印出 “Lucky penny!”，同时仍然返回代码块最后的值，1：

  1. # enum Coin {
  2. #    Penny,
  3. #    Nickel,
  4. #    Dime,
  5. #    Quarter,
  6. # }
  7. #
  8. fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
  9.     match coin {
  10.         Coin::Penny => {
  11.             println!("Lucky penny!");
  12.             1
  13.         },
  14.         Coin::Nickel => 5,
  15.         Coin::Dime => 10,
  16.         Coin::Quarter => 25,
  17.     }
  18. }

绑定值的模式

匹配分支的另一个有用的功能是可以绑定匹配的模式的部分值。这也就是如何从枚举成员中提取值的。

作为一个例子，让我们修改枚举的一个成员来存放数据。1999 年到 2008 年间，美国在 25 美分的硬币的一侧为 50 个州的每一个都印刷了不同的设计。其他的硬币都没有这种区分州的设计，所以只有这些 25 美分硬币有特殊的价值。可以将这些信息加入我们的 enum，通过改变 Quarter 成员来包含一个 State 值，示例 6-4 中完成了这些修改：

  1. #[derive(Debug)] // 这样可以立刻看到州的名称
  2. enum UsState {
  3.     Alabama,
  4.     Alaska,
  5.     // --snip--
  6. }
  8. enum Coin {
  9.     Penny,
  10.     Nickel,
  11.     Dime,
  12.     Quarter(UsState),
  13. }

示例 6-4：Quarter 成员也存放了一个 UsState 值的 Coin 枚举

想象一下我们的一个朋友尝试收集所有 50 个州的 25 美分硬币。在根据硬币类型分类零钱的同时，也可以报告出每个 25 美分硬币所对应的州名称，这样如果我们的朋友没有的话，他可以将其加入收藏。

在这些代码的匹配表达式中，我们在匹配 Coin::Quarter 成员的分支的模式中增加了一个叫做 state 的变量。当匹配到 Coin::Quarter 时，变量 state 将会绑定 25 美分硬币所对应州的值。接着在那个分支的代码中使用 state，如下：

  1. # #[derive(Debug)]
  2. # enum UsState {
  3. #    Alabama,
  4. #    Alaska,
  5. # }
  6. #
  7. # enum Coin {
  8. #    Penny,
  9. #    Nickel,
  10. #    Dime,
  11. #    Quarter(UsState),
  12. # }
  13. #
  14. fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
  15.     match coin {
  16.         Coin::Penny => 1,
  17.         Coin::Nickel => 5,
  18.         Coin::Dime => 10,
  19.         Coin::Quarter(state) => {
  20.             println!("State quarter from {:?}!", state);
  21.             25
  22.         },
  23.     }
  24. }

如果调用 value_in_cents(Coin::Quarter(UsState::Alaska))，coin 将是 Coin::Quarter(UsState::Alaska)。当将值与每个分支相比较时，没有分支会匹配，直到遇到 Coin::Quarter(state)。这时，state 绑定的将会是值 UsState::Alaska。接着就可以在 println! 表达式中使用这个绑定了，像这样就可以获取 Coin 枚举的 Quarter 成员中内部的州的值。

匹配 Option<T>

我们在之前的部分中使用 Option<T> 时，是为了从 Some 中取出其内部的 T 值；我们还可以像处理 Coin 枚举那样使用 match 处理 Option<T>！只不过这回比较的不再是硬币，而是 Option<T> 的成员，但 match 表达式的工作方式保持不变。

比如我们想要编写一个函数，它获取一个 Option<i32> ，如果其中含有一个值，将其加一。如果其中没有值，函数应该返回 None 值，而不尝试执行任何操作。

得益于 match，编写这个函数非常简单，它将看起来像示例 6-5 中这样：

  1. fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
  2.     match x {
  3.         None => None,
  4.         Some(i) => Some(i + 1),
  5.     }
  6. }
  8. let five = Some(5);
  9. let six = plus_one(five);
  10. let none = plus_one(None);

示例 6-5：一个在 Option<i32> 上使用 match 表达式的函数

匹配 Some(T)

让我们更仔细地检查 plus_one 的第一行操作。当调用 plus_one(five) 时，plus_one 函数体中的 x 将会是值 Some(5)。接着将其与每个分支比较。

  1. None => None,

值 Some(5) 并不匹配模式 None，所以继续进行下一个分支。

  1. Some(i) => Some(i + 1),

Some(5) 与 Some(i) 匹配吗？当然匹配！它们是相同的成员。i 绑定了 Some 中包含的值，所以 i 的值是 5。接着匹配分支的代码被执行，所以我们将 i 的值加一并返回一个含有值 6 的新 Some。

接着考虑下示例 6-5 中 plus_one 的第二个调用，这里 x 是 None。我们进入 match 并与第一个分支相比较。

  1. None => None,

匹配上了！这里没有值来加一，所以程序结束并返回 => 右侧的值 None，因为第一个分支就匹配到了，其他的分支将不再比较。

将 match 与枚举相结合在很多场景中都是有用的。你会在 Rust 代码中看到很多这样的模式：match 一个枚举，绑定其中的值到一个变量，接着根据其值执行代码。这在一开始有点复杂，不过一旦习惯了，你会希望所有语言都拥有它！这一直是用户的最爱。

匹配是穷尽的

match 还有另一方面需要讨论。考虑一下 plus_one 函数的这个版本，它有一个 bug 并不能编译：

  1. fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
  2.     match x {
  3.         Some(i) => Some(i + 1),
  4.     }
  5. }

我们没有处理 None 的情况，所以这些代码会造成一个 bug。幸运的是，这是一个 Rust 知道如何处理的 bug。如果尝试编译这段代码，会得到这个错误：

  1. error[E0004]: non-exhaustive patterns: `None` not covered
  2.  -->
  3.   |
  4. 6 |         match x {
  5.   |               ^ pattern `None` not covered

Rust 知道我们没有覆盖所有可能的情况甚至知道哪些模式被忘记了！Rust 中的匹配是 穷尽的（exhaustive）：必须穷举到最后的可能性来使代码有效。特别的在这个 Option<T> 的例子中，Rust 防止我们忘记明确的处理 None 的情况，这使我们免于假设拥有一个实际上为空的值，这造成了之前提到过的价值亿万的错误。

_ 通配符

Rust 也提供了一个模式用于不想列举出所有可能值的场景。例如，u8 可以拥有 0 到 255 的有效的值，如果我们只关心 1、3、5 和 7 这几个值，就并不想必须列出 0、2、4、6、8、9 一直到 255 的值。所幸我们不必这么做：可以使用特殊的模式 _ 替代：

  1. let some_u8_value = 0u8;
  2. match some_u8_value {
  3.     1 => println!("one"),
  4.     3 => println!("three"),
  5.     5 => println!("five"),
  6.     7 => println!("seven"),
  7.     _ => (),
  8. }

_ 模式会匹配所有的值。通过将其放置于其他分支之后，_ 将会匹配所有之前没有指定的可能的值。() 就是 unit 值，所以 _ 的情况什么也不会发生。因此，可以说我们想要对 _ 通配符之前没有列出的所有可能的值不做任何处理。

然而，match 在只关心 一个 情况的场景中可能就有点啰嗦了。为此 Rust 提供了if let。