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一、if-else語句維護難題知多少

（一）破壞程序結(jié)構(gòu)

在日常編程過程中，我們常常會使用到 if-else語句，它確實能夠幫助我們實現(xiàn)各種條件判斷下的不同邏輯處理。然而，當代碼中大量使用if-else語句時，就會產(chǎn)生不少問題，其中對程序結(jié)構(gòu)的破壞尤為明顯。

隨著業(yè)務(wù)邏輯的復(fù)雜，if-else語句可能會層層嵌套，就像下面這樣一段簡單模擬的代碼示例：

起初這段代碼用于判斷不同條件時執(zhí)行不同的代碼塊，看著還算清晰?？梢坏y試時發(fā)現(xiàn)了新問題，需要調(diào)整邏輯，比如當 condition1和condition3同時滿足時應(yīng)該先執(zhí)行f4，代碼修改后可能就變成了如下模樣：

這還僅僅是比較簡單的邏輯調(diào)整，如果是更為復(fù)雜的業(yè)務(wù)場景，if-else的數(shù)量會遠遠多于上述示例。要是各種condition都是使用flag變量進行標記時，代碼的可讀性將會變得極差，后續(xù)開發(fā)人員去理解代碼意圖就如同在迷宮中找出口一樣困難。而且在維護這樣的代碼時，每一次修改都需要小心翼翼地梳理邏輯，極易牽一發(fā)而動全身，大大增加了開發(fā)和后期維護的成本。所以說，if-else語句大量嵌套時，會使代碼邏輯變得復(fù)雜，讓程序結(jié)構(gòu)混亂不堪，對代碼的整體質(zhì)量有著不容忽視的負面影響。

（二）引發(fā)效率問題

除了對程序結(jié)構(gòu)有破壞作用之外，if-else語句在某些情況下還會引發(fā)效率問題。這就不得不提到現(xiàn)代CPU架構(gòu)中的相關(guān)知識了，像CPU的流水線結(jié)構(gòu)以及分支預(yù)測機制都和if-else語句的效率表現(xiàn)息息相關(guān)。

在現(xiàn)代 CPU執(zhí)行代碼時，常常采用流水線技術(shù)，例如三級流水線，它在執(zhí)行一條指令時，會同時讀取后面的指令，并對其進行譯碼（也就是讀取、譯碼、執(zhí)行這幾個步驟同時進行），這種方式能大大提高執(zhí)行效率。但流水線技術(shù)并不是在所有時候都有效的，當程序中執(zhí)行到像if-else這類帶有跳轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的語句時，情況就有所不同了。因為跳轉(zhuǎn)意味著后續(xù)部分代碼可能不會按順序執(zhí)行了，那提前讀取的那些指令也就沒了用處，所以CPU會丟棄流水線現(xiàn)有的結(jié)果，此時if語句相對于順序執(zhí)行的指令，就會產(chǎn)生幾個時鐘周期的差距。不過這并非if語句特有的問題，像switch、for等帶跳轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的語句都會如此。

而分支預(yù)測則是為了進一步應(yīng)對跳轉(zhuǎn)語句對效率的影響而引入的技術(shù)。簡單來講，分支預(yù)測就是 CPU猜測條件判斷會走哪一路，如果猜對了，就能避免流水線停頓造成的時間浪費，可要是猜錯了，那么流水線中推測執(zhí)行的那些中間結(jié)果全部要放棄，得重新獲取正確的分支路線上的指令開始執(zhí)行，這就導(dǎo)致了程序執(zhí)行的延遲。并且，在大量使用if語句的地方，這種由于分支預(yù)測錯誤帶來的影響還會被放大，它有可能產(chǎn)生10 - 20個時鐘周期的影響。

例如，在處理排序數(shù)組和未排序數(shù)組時進行對比，有這樣一段代碼：

運行這段代碼會發(fā)現(xiàn)，排序后的數(shù)組在執(zhí)行包含 if判斷的循環(huán)時，速度比未排序數(shù)組快很多，原因就是排序后的數(shù)據(jù)對于分支預(yù)測來說更有規(guī)律，分支預(yù)測器能更準確地猜測分支走向，而未排序的隨機數(shù)據(jù)則容易讓分支預(yù)測器猜錯，進而導(dǎo)致效率降低。雖然在部分場景下，if-else語句對效率的影響可以忽略不計，但它確實是存在效率方面的弊端的，也是我們在編程優(yōu)化時需要考慮的一個因素。

二、C#模式匹配閃亮登場 

（一）類型檢查和轉(zhuǎn)換優(yōu)勢

在 C#編程中，我們常常會遇到需要檢查對象是否為特定類型并且進行轉(zhuǎn)換的情況。以往，我們可能會使用傳統(tǒng)的as 和is 操作符來完成這類任務(wù)。例如，使用is 操作符判斷類型后，再通過強制類型轉(zhuǎn)換來獲取對應(yīng)類型的對象，像這樣：

或者使用as 操作符來嘗試轉(zhuǎn)換類型：

可以看到，使用傳統(tǒng)方式在進行類型轉(zhuǎn)換后，還需要額外進行null 檢查，以避免空引用異常的情況出現(xiàn)，這樣就使得代碼變得相對繁瑣。

而模式匹配為我們提供了一種更為簡潔的方式來完成類型檢查和轉(zhuǎn)換任務(wù)。例如通過is 表達式結(jié)合聲明模式，我們可以在進行類型檢查的同時直接將結(jié)果賦值給變量，代碼如下：

在上述代碼中，當obj 的運行時類型是string 時，不僅完成了類型檢查，還自動將其賦值給了變量str，而且這個過程中隱含了對null 值的檢查。如果obj 為null，那么這個條件判斷就直接為false，不會進入后續(xù)的代碼塊，有效避免了空引用問題，使代碼更加精簡、安全且易讀。

（二）簡化復(fù)雜條件邏輯

當業(yè)務(wù)邏輯變得復(fù)雜，涉及到多個條件和不同類型的判斷時，大量使用if-else 鏈或者傳統(tǒng)的switch 語句會讓代碼的可讀性變得很差。比如下面這樣一段模擬的傳統(tǒng)if-else 代碼：

隨著條件的增多以及類型的多樣化，這段代碼會越來越長，后續(xù)開發(fā)人員去理解其中的邏輯就會變得十分困難。

而使用模式匹配的switch 語句或者switch 表達式，就能很好地簡化這類復(fù)雜邏輯。例如：

通過模式匹配的switch，我們可以基于不同的類型以及對應(yīng)類型下的條件，清晰直觀地梳理出邏輯分支，把原本嵌套復(fù)雜的if-else 鏈轉(zhuǎn)換為簡潔明了的結(jié)構(gòu)，讓代碼的邏輯一目了然，更易于理解和維護。

（三）解構(gòu)復(fù)合類型便捷性

在處理復(fù)合類型（如元組、自定義類等）時，有時我們需要從中提取值來進行后續(xù)的操作。以往的做法可能需要編寫專門的解構(gòu)代碼，過程相對繁瑣。

例如對于一個包含姓名和年齡的Person 類：

如果不使用模式匹配，要提取其中的值可能是這樣的：

而借助模式匹配，我們可以直接在條件檢查中進行解構(gòu)。比如：

在上述代碼中，通過模式匹配的語法，在判斷person 對象是否符合條件的同時，直接將其內(nèi)部的Name 和Age 屬性解構(gòu)賦值到了對應(yīng)的變量n 和a 上，無需額外編寫復(fù)雜的解構(gòu)代碼，使得代碼更加簡潔，減少了不必要的代碼量，提升了代碼的整體可讀性。

（四）范圍檢查更輕松

在很多編程場景中，我們需要對某個數(shù)值進行范圍檢查，判斷它是否落在特定的區(qū)間內(nèi)。在沒有模式匹配的情況下，我們可能會使用類似下面這樣的if 語句來實現(xiàn)：

隨著范圍判斷條件的增多，代碼也會變得越來越復(fù)雜，可讀性逐漸變差。

不過，C# 9.0引入的關(guān)系模式讓范圍檢查的代碼得到了極大簡化。例如：

又或者像這樣：

通過關(guān)系模式的語法，我們可以直接在條件表達式中清晰地表達出范圍檢查的邏輯，使得代碼簡潔明了，一眼就能看出具體的范圍判斷情況，讓范圍檢查相關(guān)的代碼編寫和維護都變得更加輕松。

（五）邏輯組合更靈活

在實際編程中，經(jīng)常會遇到需要對多個條件進行邏輯組合的情況，比如檢查一個值是否滿足多個條件之一或者是否滿足全部條件等。如果使用傳統(tǒng)的if-else 語句來實現(xiàn)，往往會導(dǎo)致復(fù)雜的邏輯嵌套，代碼可讀性很差。

例如，判斷一個數(shù)字是否滿足特定的多個條件時，可能會寫成這樣：

可以看到，隨著條件增多和邏輯復(fù)雜度的提升，這樣的代碼理解起來就比較困難了。

而使用模式匹配中的邏輯模式，我們可以直接在模式匹配表達式中運用and、or 和not 等邏輯運算符來組合條件。代碼如下：

通過這種方式，邏輯組合變得更加清晰直觀，避免了復(fù)雜的邏輯嵌套，讓代碼結(jié)構(gòu)更簡潔，后續(xù)開發(fā)人員在閱讀和維護代碼時也能更容易理解其中的邏輯關(guān)系，提高了代碼的可維護性。

（六）數(shù)據(jù)驗證更緊湊

在數(shù)據(jù)驗證場景中，驗證邏輯往往會涉及到多個方面，比如類型檢查、值范圍檢查以及特定屬性值檢查等。要是用傳統(tǒng)的方式來實現(xiàn)，代碼可能會分散在多個不同的語句塊中，顯得比較松散且不易維護。

例如，驗證一個用戶輸入的數(shù)據(jù)是否符合要求，可能會有如下代碼：

而使用模式匹配，我們可以在單個表達式中完成所有這些檢查。比如：

通過模式匹配，將多種類型的驗證條件整合到了一起，使得驗證邏輯更加緊湊，代碼的結(jié)構(gòu)更加清晰，無論是修改驗證規(guī)則還是排查驗證相關(guān)的問題，都變得更加方便快捷，有效提升了代碼的可維護性。

（七）多態(tài)行為處理更簡單

在處理需要依據(jù)對象類型執(zhí)行不同操作的多態(tài)行為時，傳統(tǒng)的做法通常是使用虛方法或者接口實現(xiàn)來完成。例如定義一個抽象基類Animal，然后不同的具體動物類（如Dog、Cat 等）繼承它并實現(xiàn)各自的行為方法：

當需要根據(jù)不同的動物對象執(zhí)行對應(yīng)的叫聲行為時，可能會這樣調(diào)用：

這種方式在類層次結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜或者需要頻繁擴展修改行為時，就需要對類的繼承體系進行相應(yīng)調(diào)整，操作起來相對麻煩。

而模式匹配提供了一種更靈活的替代方式。比如：

甚至可以使用模式匹配的switch 表達式來簡化：

這樣在不修改原有類層次結(jié)構(gòu)的前提下，能夠更容易地擴展或修改不同類型對象對應(yīng)的行為，代碼的靈活性和可維護性都得到了提升。

（八）替代訪問者模式更簡潔

在實現(xiàn)訪問者設(shè)計模式時，通常需要為每種類型單獨創(chuàng)建訪問者方法，當對象結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，涉及的類型眾多時，代碼量會變得很大，邏輯也會比較分散。

例如，假設(shè)有一個圖形的對象結(jié)構(gòu)，包含圓形、矩形等不同類型圖形，使用傳統(tǒng)訪問者模式實現(xiàn)計算面積功能，可能會有如下代碼結(jié)構(gòu)（簡單示意）：

使用時：

而通過模式匹配，可以作為一種更簡潔的替代方案。例如：

通過模式匹配，我們可以直接在一處處理所有類型情況，無需為每種類型單獨創(chuàng)建訪問者方法，大大簡化了代碼結(jié)構(gòu)，讓代碼更加緊湊、易讀，在處理復(fù)雜對象結(jié)構(gòu)的相關(guān)邏輯時優(yōu)勢明顯。

三、實戰(zhàn)！用 C#模式匹配告別if-else

（一）簡單邏輯場景應(yīng)用

在實際編程中，有很多簡單的條件判斷邏輯場景，原本使用if-else 語句實現(xiàn)的代碼，都可以通過 C#模式匹配進行替換，讓代碼更加簡潔、易讀和易維護。

比如，我們有一個根據(jù)不同分數(shù)等級輸出對應(yīng)評價的場景，使用if-else 語句來寫可能是這樣的：

可以看到，雖然這段代碼邏輯比較清晰，但隨著條件的增多或者后續(xù)調(diào)整邏輯，代碼可能會變得越來越長且嵌套復(fù)雜。

現(xiàn)在我們使用 C#模式匹配的switch 表達式來改寫這段代碼，如下所示：

通過這樣的改寫，代碼一下子變得簡潔明了，各個分數(shù)區(qū)間的判斷條件清晰直觀地展示在switch 表達式中，一眼就能看出邏輯關(guān)系。而且如果后續(xù)需要增加新的分數(shù)等級判斷或者調(diào)整區(qū)間范圍，修改起來也很方便，只需要在switch 表達式中添加或修改對應(yīng)的分支即可，避免了if-else 語句層層嵌套帶來的代碼混亂問題，極大地提升了代碼的可維護性。

再比如，判斷一個數(shù)字是奇數(shù)還是偶數(shù)的場景，用傳統(tǒng)if-else 寫法是：

使用模式匹配可以改寫為：

同樣，改寫后的代碼更加簡潔，邏輯也更清晰，很容易理解和維護。所以在這種簡單邏輯場景下，C#模式匹配就已經(jīng)展現(xiàn)出了它相較于if-else 語句的優(yōu)勢，能幫助我們寫出更優(yōu)質(zhì)的代碼。

（二）復(fù)雜邏輯場景應(yīng)用

接下來看一個相對復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯案例，假設(shè)有一個電商系統(tǒng)，根據(jù)不同的用戶角色（普通用戶、會員、管理員）以及不同的商品類型（電子產(chǎn)品、日用品、書籍）來計算折扣價格。

如果使用傳統(tǒng)的if-else 語句來實現(xiàn)，代碼可能會像下面這樣：

可以想象，隨著用戶角色和商品類型的不斷增加，這段代碼會變得極其復(fù)雜，嵌套層級越來越深，可讀性極差，后續(xù)維護成本也會非常高。

現(xiàn)在我們使用 C#模式匹配的switch 表達式來重構(gòu)這段代碼，如下所示：

通過這樣的重構(gòu)，原本繁雜的if-else 結(jié)構(gòu)被清晰的switch 表達式所替代，每個用戶角色和商品類型對應(yīng)的折扣計算邏輯一目了然。即使后續(xù)需要添加新的用戶角色或者商品類型以及對應(yīng)的折扣規(guī)則，也只需要在switch 表達式中添加相應(yīng)的分支即可，不會對現(xiàn)有的代碼結(jié)構(gòu)造成太大的影響，極大地提升了代碼的整體質(zhì)量和可維護性。

再舉一個涉及多種類型判斷以及復(fù)雜條件組合的例子，假設(shè)有一個圖形繪制系統(tǒng)，根據(jù)傳入的圖形對象（圓形、矩形、三角形）以及一些額外的屬性（比如圓形的半徑范圍、矩形的長寬比例范圍、三角形的角度范圍等）來決定是否可以繪制該圖形。

用傳統(tǒng)if-else 語句可能寫成這樣（這里簡化示意部分邏輯判斷代碼）：

當圖形種類增多以及每個圖形的判斷條件變得更復(fù)雜時，這段代碼會變得難以維護。

使用 C#模式匹配來重構(gòu)，代碼如下：

通過模式匹配的switch 語句，我們可以基于不同的圖形類型以及對應(yīng)類型下的復(fù)雜條件，清晰地梳理出邏輯分支，把原本嵌套復(fù)雜的if-else 鏈轉(zhuǎn)換為簡潔明了的結(jié)構(gòu)，讓代碼的邏輯更加清晰直觀，易于理解和維護，即使面對復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯場景，也能輕松應(yīng)對，告別繁雜的if-else 語句帶來的困擾。

四、總結(jié)與展望

（一）總結(jié)模式匹配優(yōu)勢

通過前文的諸多示例與講解，我們可以清晰地看到 C#模式匹配在告別難以維護的if-else語句方面展現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢。

首先，在類型檢查和轉(zhuǎn)換方面，模式匹配提供了更簡潔的方式，避免了傳統(tǒng)的as和is操作符使用后還需額外進行null檢查的繁瑣，讓代碼更加精簡、安全且易讀。

對于復(fù)雜條件邏輯，無論是涉及多個條件還是不同類型的判斷，模式匹配的switch語句或者表達式都能將原本嵌套復(fù)雜的if-else鏈轉(zhuǎn)換為簡潔明了的結(jié)構(gòu)，極大提升了代碼的可讀性，使邏輯一目了然，便于后續(xù)開發(fā)人員理解與維護。

在解構(gòu)復(fù)合類型時，借助模式匹配可以直接在條件檢查中進行解構(gòu)，無需編寫專門的解構(gòu)代碼，減少了不必要的代碼量，進一步增強了代碼整體的可讀性。

范圍檢查上，C# 9.0引入的關(guān)系模式讓相關(guān)代碼得到極大簡化，能直接在條件表達式中清晰表達范圍檢查邏輯，輕松應(yīng)對各種范圍判斷場景。

邏輯組合方面，利用模式匹配中的邏輯模式，可運用and、or和not等邏輯運算符在表達式中靈活組合條件，避免復(fù)雜的邏輯嵌套，使代碼結(jié)構(gòu)更簡潔，邏輯關(guān)系更易理解。

數(shù)據(jù)驗證場景中，模式匹配能夠把多種類型的驗證條件整合到單個表達式內(nèi)，讓驗證邏輯更加緊湊，結(jié)構(gòu)更清晰，無論是修改驗證規(guī)則還是排查驗證問題都更加方便快捷。

處理多態(tài)行為時，模式匹配提供了更靈活的替代方式，無需對原有類層次結(jié)構(gòu)大動干戈就能輕松擴展或修改不同類型對象對應(yīng)的行為，提升了代碼的靈活性與可維護性。

而且在替代訪問者模式時，模式匹配可直接在一處處理所有類型情況，無需為每種類型單獨創(chuàng)建訪問者方法，大大簡化了代碼結(jié)構(gòu)，在面對復(fù)雜對象結(jié)構(gòu)相關(guān)邏輯時優(yōu)勢顯著。

總之，C#模式匹配從多個維度提升了代碼的可讀性、可維護性，讓我們編寫的代碼更加優(yōu)質(zhì)、高效，告別以往if-else語句帶來的種種困擾。

（二）展望未來應(yīng)用發(fā)展

隨著 C#語言的不斷發(fā)展，模式匹配的功能和應(yīng)用場景勢必會進一步擴展和深化。從過往的發(fā)展歷程來看，像C# 12中引入的let模式優(yōu)化了變量重用，高級遞歸模式為處理嵌套對象和復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供了更多靈活性，這些新特性的出現(xiàn)不斷增強著模式匹配的能力。

在未來，或許我們能看到模式匹配在更多復(fù)雜業(yè)務(wù)場景中大放異彩，例如在處理大規(guī)模分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交互與邏輯判斷時，模式匹配可以憑借其簡潔且強大的邏輯表達能力，更高效地梳理業(yè)務(wù)邏輯，減少代碼的復(fù)雜度。又或者在與新興技術(shù)如人工智能、大數(shù)據(jù)結(jié)合的應(yīng)用開發(fā)中，模式匹配能夠幫助開發(fā)人員更便捷地處理各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型和條件判斷，加速開發(fā)進程。

同時，相信它在提升代碼性能方面也會有更多的優(yōu)化空間，在保證代碼可讀性和可維護性的同時，讓程序運行得更加高效。而且，隨著社區(qū)的不斷壯大以及開發(fā)人員對其探索的深入，會有更多創(chuàng)新性的使用方式被挖掘出來，模式匹配也將成為 C#編程中更加不可或缺的利器。

在此，鼓勵各位讀者積極在實際開發(fā)中運用這一技術(shù)，不斷積累經(jīng)驗，緊跟 C#語言發(fā)展的步伐，利用模式匹配為我們帶來更優(yōu)質(zhì)、更易于維護的代碼，讓開發(fā)工作變得更加得心應(yīng)手。