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Python 3.10 | Match Statement - 更靈活的 switch

大綱

1. 概述
2. 前言
3. Guards
4. Irrefutable Case Blocks
5. Patterns
   • OR Patterns
   • AS Patterns
   • Literal Patterns
   • Capture Patterns
   • Wildcard Patterns
   • Value Patterns
   • Group Patterns
   • Sequence Patterns
   • Mapping Patterns
   • Class Patterns
6. 結語
7. References

概述

在我當初開始學 Python 時，發現沒有 switch 可用，令我感到有些驚訝，
還好從 Python 3.10 開始， Python 有了自己的 switch —— Structural Pattern Matching。

所以什麼是 Structural Pattern Matching ? 與 C++ 的 switch 相比，我覺得它更類似於 C# 的 Pattern Matching。
舉個簡單的例子:

is_perform = False

match ("anon", "soyorin"):
    # Mismatch
    case 'tomorin':
        print('組一輩子樂團')

    # Mismatch: soyorin != rana
    case ("anon", "rana"):
        print('有趣的女人')

    # Successful match, but guard fails
    case  ("anon", "soyorin") if is_perform:
        print('為什麼要演奏春日影!')

    # Matches and binds y to "soyorin"
    case ("anon", y):
        print(f'愛音,{y} 強到靠北')

    # Pattern not attempted
    case _:
        print('我還是會繼續下去')


# 愛音,soyorin 強到靠北

📌 Note
與 C++ 不同，Python 的 match 沒有 fallthrough。
所以一個 case 完成就會離開 match，而不會繼續執行下一個 case。

前言

文件中把 match 後的部分 ("anon", "soyorin"):，稱為 subject_expr，
為了方便理解，我們叫他 match value。

Guards

case <pattern> if <expression>:

如果我們在 pattern 成功 match 後，想進一步檢查，可以在 pattern 後面加上 if ，
也就是範例中的 case ("anon", "soyorin") if is_perform:，
這種用法稱為 Guard 。

執行流程大致為

1. Pattern 成功 match，執行 Guard
2. Pattern Mismatch，不執行 Guard
3. Guard 結果為 True → 該 case 執行
4. Guard 結果為 False → 跳過該 case，繼續檢查下一個 case

Irrefutable Case Blocks

指的是一定 match 的情況，類似於 C++ 的 default，
但只能出現在 最後一個 case，且整個 match 只能有 一個 這樣的 case。
至於甚麼 pattern 符合?
可以參考 https://docs.python.org/3/reference/compound_stmts.html#irrefutable-case-blocks

舉例來說:

match 2:
    case 1:
        print("value is 1")
    case x:
        print("Irrefutable Case Blocks")


# Irrefutable Case Blocks

Patterns

OR Patterns

就如同字面含意，就是個 or，
pattern 會逐一嘗試直到其中一個成功為止。

舉個簡單例子:

match 1:
    case 1 | 2 | 3:
        print("value is 1 or 2 or 3")


# value is 1 or 2 or 3

AS Patterns

前面 or 用的很開心，那我們如何取的原本的 value 呢?
此時我們可以用 as 來取得前面 match 到的值，
也就是case <pattern> as <name>:，在 pattern 成功的情況下，
match value 會 bind 到 name 上，name = <match value>。

接續前面的例子

match 1:
    case 1 | 2 | 3 as x:
        print(f"value is {x}")


# value is 1

Literal Patterns

前面我們已經用了不少，用來比對 Python 中的 Literals，
如int、string、None、bool等等，

簡單來說，如果 if <match value> == <Literal> 就會比對成功，
若是遇到 Singletons ，如None, True ,False 則會透過 is 來比對

Capture Patterns

用來將比對的值 bind 到變數上，

在 pattern 中，name 只能被 bind 一次

match (1, 1):
    # SyntaxError
    case x, x:
        print(f"Matched: {x}")


#     case x, x:
#             ^
# SyntaxError: multiple assignments to name 'x' in pattern

在下面例子中，在成功 match 的同時，"soyorin" 會 bind 到變數 y 上

match ("anon", "soyorin"):
    # Matches and binds y to "soyorin"
    case ("anon", y):
        print(f'愛音,{y} 強到靠北')


# 愛音,soyorin 強到靠北

Wildcard Patterns

_，用來比對任意值，基本上就是當 default 來用。

比如

match ("Raana", "soyorin"):

    # Matches and binds y to "soyorin"
    case ("anon", y):
        print(f'愛音,{y} 強到靠北')

    # Pattern not attempted
    case _:
        print('我還是會繼續下去')


# 我還是會繼續下去

Value Patterns

Value Pattern，是指可以透過 name resolution，
也就是透過 . 存取的變數，例如 enum、math.pi 等。
藉由 == 來比對，<match value> == <NAME1.NAME2>。

例子

from enum import Enum


class Color(Enum):
    RED = 1
    GREEN = 2
    BLUE = 3


match Color.RED:
    case Color.RED:
        print("RED")
    case Color.GREEN:
        print("GREEN")
    case Color.BLUE:
        print("BLUE")
    case _:
        print("unknown")


# RED

Group Patterns

老實說，我覺得這不算 pattern，就是告訴你可以加 () 來加強可讀性

比如前面的例子

match 1:
    # case 1 | 2 | 3 as x:
    case (1 | 2 | 3) as x:
        print(f"value is {x}")


# value is 1

Sequence Patterns

用來比對 "Sequence"，如 List 和 Tuple 等。
不過，str、bytes、bytearray 並不會被當作 Sequence Patterns。

📌 Note

• Python 不區分 (...) 和 [...]，兩者作用相同。
• 另需注意的是 (3 | 4) 會是 group pattern，但 [3 | 4] 依舊是 sequence pattern。

舉體的比對方式大致是

• 固定長度
  1. Match value 是 Sequence
  2. len(value) == len(patterns)
  3. 從左到右依序比對
• 可變長度 (如[first, *middle, last])
  1. Match value 是 Sequence
  2. Sequence 長度小於扣除非 *(star pattern) 的數量 → 比對失敗
  3. 比對前面非 *(star pattern) 的部分(如同固定長度，也就是 first 部分)
  4. 如果前面成功，扣除 last 部分後，收集剩餘元素(變成list，對應 *middle )
  5. 最後比對剩餘部分，也就是 last (如同固定長度)

看幾個例子可能比較清楚

# fixed-length

match [10, 20, 30]:
    # note that this match can also bind names
    case [x, y, z]:
        print(f"x={x}, y={y}, z={z}")


# x=10, y=20, z=30

# variable-length

match [1, 2, 3, 4, 5]:
    case [first, *middle, last]:
        print(f"first={first}, middle={middle}, last={last}")


# first=1, middle=[2, 3, 4], last=5

Mapping Patterns

用來比對 "mapping"，最常用的就是 dict

與前面類似，我們可以把 **(double_star_pattern) 放在最後，收集剩餘元素，
另外不可以有重複的 key，否則會 SyntaxError

舉體的比對流程

1. Match value 是 mapping
2. pattern 的每個 key 有存在於 Match value
3. key 對應的 value 與 pattern 相同

舉個例子

match {"name": "Bob", "age": 30, "city": "NY"}:
    case {"name": n, "age": a}:
        print(f"name={n}, age={a}")


# name=Bob, age=30

Class Patterns

用於比對 class，但其比對流程相對較複雜。
和 function arguments 一樣，分為 positional arguments 和 keyword arguments 兩種形式。

比對流程

1. Match value 是否是 builtin type
2. 檢查 Match value 是不是 Patterns 的 instance ，透過isinstance()進行檢查。
3. 檢查 Class Patterns 是否含有 arguments ，沒有就直接比對成功

如果有則分成 keyword 或 positional argument 兩種情形

• 只有 Keyword arguments：
  1. 檢查 attribute 是否存在於 Match value
  2. 檢查 attribute value 是否和 Pattern 相同
  3. 成功則往下個 keyword
• 如果有 Positional arguments：
  1. 藉由 Match value 的 __match_args__ attribute ，將 Positional arguments 轉換為 Keyword arguments

📌 Note

• object.__match_args__，若沒有定義，預設是一個 empty tuple ()
• 部分 built-in types（如 bool、int、list、str 等），是比對接收 positional argument 後的整個 object。

例子

# Keyword argument
class Point:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y


match Point(1, 2):
    case Point(x=1, y=y_value):
        print(f"Matched! y={y_value}")


# Matched! y=2

# positional argument
class Point:
    # assigned a tuple of strings
    __match_args__ = ("x", "y")

    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y


match Point(1, 2):
    # converted to keyword patterns using the __match_args__
    case Point(1, y_value):
        print(f"Matched! y={y_value}")


# Matched! y=2

結語

算是把 match statement 完整介紹了一遍，希望下篇別拖更 （￣︶￣）↗　
如果有任何問題，歡迎在下面留言。

References

• https://docs.python.org/3/reference/compound_stmts.html#the-match-statement
• https://peps.python.org/pep-0636/
• https://peps.python.org/pep-0634/
• https://stackoverflow.com/questions/46701063/why-doesnt-python-have-switch-case-update-match-case-syntax-was-added-to-pyt