模式匹配

在计算机科学中，模式匹配是检查给定记号序列中，是否存在某种模式的组成部分的行为。与模式识别相反，匹配通常必须是精确的。模式通常具有序列或树状结构的形式。模式匹配的用途包括：输出一个模式在一个记号序列中的位置（如果有的话），输出匹配模式的一些组成部份，以及用一些其他的记号序列替换匹配模式（即搜索和替换）。
概述.
在一些编程语言中，模式被用作一种通用工具，基于数据的结构来处理数据，包括C#、 F#、Haskell、ML、Python、Ruby、Rust、Scala、Swift和Mathematica的符号式Wolfram语言，它们拥有表达树状结构的特殊语法，和基于它的条件执行和值检索的。
经常可以给出逐个尝试的式模式，它产生强力的条件编程构造。模式匹配有时包括对守卫子句的支持。
字符序列也就是字符串，经常使用正则表达式来描述，并使用像回溯这样的技术来进行匹配。解析算法经常依赖模式匹配来将字符串变换成语法树。
历史.
具有模式匹配构造的早期编程语言包括：COMIT（1957年）、SNOBOL（1962年）、具有树状模式的（1968年）、Prolog（1972年）、SASL（1976年）、NPL（1977年）和KRC（1981年）。
很多文本编辑器支持各种的模式匹配：支持正则表达式查找的，和在查找中支持codice_1运算的某些版本的。计算机代数系统一般支持在代数表达式上的模式匹配。
简单模式.
在模式匹配中，最简单的模式是一个明确的值或一个变量。例如，考虑采用Haskell语法的一个简单函数，这里函数参数不放在圆括号内但用空白分隔，codice_2不是赋值而是定义：
<syntaxhighlight lang="haskell">
f 0 = 1
</syntaxhighlight>
这里的codice_3是一个单一值模式。只要codice_4被给予codice_3作为参数，这个模式就匹配，并且函数返回codice_6。对于任何其他参数，匹配失败，因而这个函数也失败。因为在函数定义中，语法上支持交替式模式，可以继续将定义扩展为接受更一般性的参数：
<syntaxhighlight lang="haskell">
f n = n * f (n-1)
</syntaxhighlight>
这里的第一个codice_7是单一变量模式，它绝对的匹配任何参数，并将它绑定到名字codice_7，而用在定义的余下部份之中。在Haskell中（至少不似Hope），模式被依次尝试，所以第一个定义仍适用于输入是codice_3的非常特殊情况，而对于任何其他参数，函数返回codice_10，具有codice_7是为参数。
通配符模式（通常写为codice_12）也是简单的：就像一个变量名字，它匹配任何值，但是不把这个值绑定到任何名字。在简单字符串匹配情况下的算法，已经发展出很多递归和非递归的变体。
在Haskell中，下面的代码定义了一个代数数据类型codice_13，它有一个单一的数据构造子codice_14，包装一个整数和一个字符串：
<syntaxhighlight lang="haskell">
data Color = ColorConstructor Integer String
</syntaxhighlight>
例如，要得到codice_13类型的整数部份的一个函数可以写为：
<syntaxhighlight lang="haskell">
integerPart (ColorConstructor theInteger _) = theInteger
</syntaxhighlight>
要得到字符串部份：
<syntaxhighlight lang="haskell">
stringPart (ColorConstructor _ theString) = theString
</syntaxhighlight>
这些函数可以通过Haskell的数据记录语法自动创建。
模式匹配还可应用来过滤特定结构的数据。例如，在Haskell中可以使用列表推导式进行这种过滤：
<syntaxhighlight lang="haskell">
data ABint = A Int | B Int
x|A x <- [A 1, B 1, A 2, B 2]
</syntaxhighlight>
求值结果为：
<syntaxhighlight lang="haskell">
1, A 2
</syntaxhighlight>
序列模式.
从上述原始模式，可以建造更加复杂的模式，通常采用的方式，相同于通过组合其他值来建造值。区别在于，具有变量和通配符部份，模式不建造成一个单一值，而是匹配一组值，它们是具体元素和允许在模式结构内变化的元素的组合。
在Haskell和一般的函数式编程语言中，列表是主要数据结构，它通常被定义为一种典型的代数数据类型：
<syntaxhighlight lang="haskell">
data List a = Nil | Cons a (List a)
</syntaxhighlight>
codice_16是构造（construct）的简写。很多语言针对以这种方式定义的列表提供特殊语法。例如，Haskell和ML，分别将codice_17用于codice_18，codice_19或codice_20用于codice_16，并将方括号用于整个列表。所以通常在Haskell中写为或，在OCaml中写为或。
列表被定义为空列表，或一个元素构造在一个现存的列表上。在Haskell语法下写为：
<syntaxhighlight lang="haskell">
[] -- 空列表
x:xs -- 元素x构造在列表xs之上
</syntaxhighlight>
具有一些元素的一个列表的结构，就是codice_22。在模式匹配的时候，断定特定部份的数据等于特定模式。例如，在如下函数中：
<syntaxhighlight lang="haskell">
head (element:list) = element
</syntaxhighlight>
这里断定了codice_23的实际参数的第一个元素被称为codice_24，并且这个函数返回这个元素。之所以知道它是第一个元素的，是因为列表的定义方式，它是一个单一元素构造在一个列表之上，这个单一元素必定是第一个元素。空列表根本不匹配这个模式，因为空列表没有头部（要构造的第一个元素）。
在这个例子中，我们没有用到codice_25，可以漠视它，而将函数写为：
<syntaxhighlight lang="haskell">
head (element:_) = element
</syntaxhighlight>
树状模式.
树状模式一般用来匹配由递归数据类型生成的复杂的树状结构，比如编程语言抽象语法树。它通过开始于一个节点，指定某些分支以及节点，并且通过变量或通配符留下一些不指定，来描述一个树的一部份。
下面是在OCaml下，定义一个红黑树和在元素插入后再平衡的函数的例子：
<syntaxhighlight lang="ocaml">
type color = Red | Black
type 'a tree = Empty | Tree of color * 'a tree * 'a * 'a tree
let rebalance t = match t with
</syntaxhighlight>
字符串模式.
迄今最常用形式的模式匹配涉及字符串。在很多编程语言中，使用特定的字符串语法来表示正则表达式，它是描述字符串的模式。
在Haskell中，如下模式匹配有两个字符并且开始于codice_26的字符串:
<syntaxhighlight lang="haskell">
['a', _]
</syntaxhighlight>
可以介入符号式实体，来表示一个字符串的很多不同类的有关特征。在Haskell中，可以使用守卫来进行匹配：
<syntaxhighlight lang="haskell">
digit | isAlpha letter && isDigit digit
</syntaxhighlight>
它将匹配首个字符是一个字母，接着的是一个数字的字符串。
符号式字符串操纵的主要好处，是它可以与编程语言的其余部份完全的集成，而非成为一个独立的、专用的子单元。这个语言的整体能力，可以放大到建造模式自身，或分析和变换包含它们的程序。
Python的模式匹配.
定义.
在Python版本3.10中，模式匹配的语法应该是：
<syntaxhighlight lang="python3">
match subject:
</syntaxhighlight>
其中 codice_27表示原始数据，codice_28表示不同模式，codice_12表示通配符，如果在上文中没有找到精确匹配的对象，将会使用通配符。如果一个模式匹配没有精确匹配上且没有通配符，整个语句不做任何作用（no-op）。
例子.
在Python版本3.10中：
<syntaxhighlight lang="python3">
def http_error(status):
</syntaxhighlight>
如果省略最后两行，当codice_30为500时什么都不会发生。
同理，模式匹配也可用于codice_31中：
<syntaxhighlight lang="python3">
class Point:
def location(point):
</syntaxhighlight>
和其他语言中的模式匹配一样，Python中也可以在匹配的语句中使用通配符：
<syntaxhighlight lang="python3">
match test_variable:
</syntaxhighlight>