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深入浅出 Rust 的强大 match 表达式

article 2025/1/30 13:04:02

一、什么是 `match`？

match 表达式能让你将一个值与一系列“模式”进行比较，并根据匹配到的模式执行相应的代码。常见的模式类型包括：

字面量（例如 3、7、"hello"）
枚举（Enum）变体（例如 Coin::Penny）
变量绑定（如在 Coin::Quarter(state) 中捕获 state）
通配符（_），用来匹配任何值
其他更高级的模式（在 Rust 程序设计语言 第 19 章会有深入讲解）

从结构上看，可将 match 类比为一个“分类器”或“检索器”：

传入的值依次与每个模式进行匹配。
一旦找到匹配的模式，运行对应的代码，并返回结果。
如果没有匹配到，继续检查下一个模式。
match 必须覆盖所有可能的值，也就是“穷尽匹配”。

二、示例：硬币分类

先来一个经典示例。假设我们有一个表示美国硬币的枚举 Coin：

#[derive(Debug)]
enum UsState {
    Alaska,
    // ... 其他州
}

enum Coin {
    Penny,
    Nickel,
    Dime,
    Quarter(UsState),
}

如果要写一个函数 value_in_cents，返回某个硬币的美分值，就可以这样：

fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
    match coin {
        Coin::Penny => 1,
        Coin::Nickel => 5,
        Coin::Dime => 10,
        Coin::Quarter(state) => {
            println!("来自 {:?} 州的 25 美分硬币！", state);
            25
        }
    }
}

2.1 解析

match coin：这里的 coin 就是要进行“模式匹配”的值。
匹配分支（arms）：每一行（如 Coin::Penny => 1）被称为一个“匹配分支”或“分支模式”。
模式与代码：Coin::Penny => 1 表示如果 coin 的值是 Coin::Penny，就返回 1。对于 Coin::Quarter(state)，还会打印出所在州，并返回 25。

Rust 会逐个检查 coin 与各个分支是否匹配，一旦匹配到就执行对应的代码并返回该结果。因为我们覆盖了 Penny、Nickel、Dime 和 Quarter 四种变体，所以 Rust 确定所有情况都被“穷尽”，编译通过。

三、绑定内部值

在 Coin::Quarter(state) 这个分支里，我们不仅仅匹配到 Quarter，还把这个硬币的具体“州”数据绑定到了变量 state 上，然后就能在分支中使用它，比如打印或做进一步处理。这种模式绑定（pattern binding）让我们可以优雅地解构枚举内部的数据。

四、与 `Option<T>` 搭配使用

在实际开发中，match 常被用来搭配 Option<T> 处理“有值”或“无值”的情形。示例：我们要写一个函数 plus_one，它接受 Option<i32>，如果里面有值就加一，如果没有值就原样返回 None：

fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
    match x {
        None => None,
        Some(i) => Some(i + 1),
    }
}

4.1 工作原理

当传入 None 时，与分支 None => None 匹配，直接返回 None；
当传入 Some(i) 时，与分支 Some(i) => Some(i + 1) 匹配，此时 i 会绑定到内部的数字，然后执行 i + 1，最后返回新的 Some(i + 1)。

借助枚举的严格穷尽性，Rust 强制要求我们显式处理 None，从而避免了“null 引用”带来的潜在错误。

五、穷尽匹配：覆盖所有可能分支

Rust 对 match 的“穷尽匹配”有严格要求：你必须确保所有可能情况都能被匹配到，否则编译器会报错提示遗漏了哪些情况。比如，我们如果在 plus_one 中遗漏了 None：

fn plus_one_bug(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
    match x {
        Some(i) => Some(i + 1),
    }
}

编译器就会报错，提醒你还没有处理 None。这项特性让我们在编译期就能暴露逻辑漏洞，大幅降低 bug 产生的概率。

六、通配模式 `_`

在有些场景下，我们只想对少数情况做特殊处理，所有其他情况统一处理。Rust 提供了 _ 来做“通配”匹配（也称“捕获所有剩余情况”）。例如：

fn dice_roll_outcome(roll: u8) {
    match roll {
        3 => fancy_hat(),
        7 => remove_hat(),
        _ => reroll(), // 其余的全部执行 reroll()
    }
}

fn fancy_hat() { /* ... */ }
fn remove_hat() { /* ... */ }
fn reroll() { /* ... */ }

这里 _ 可以匹配任何值，但不会将其绑定到变量中。如果你确实需要使用那个值，可以把 _ 换成一个命名变量（例如 other），这样就能在分支里使用了。

七、分支中的多行代码

大多数时候，每个匹配分支只返回一个简单值，不需要花括号。如果需要在分支中执行多行操作，可以使用花括号包起来，最后一行将作为返回值。例如：

fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
    match coin {
        Coin::Penny => {
            println!("幸运的便士！");
            1
        },
        Coin::Nickel => 5,
        Coin::Dime => 10,
        Coin::Quarter(state) => {
            println!("来自 {:?} 州的 25 美分硬币！", state);
            25
        },
    }
}