Scala 模式匹配的亮点——Martin Odersky 访谈（四）

Martin Odersky 向 Bill Venners 和 Frank Sommers 谈论 Scala 模式匹配的机制和目的。

Scala 是一种新兴的通用用途、类型安全的 Java 平台语言，结合了面向对象和函数式编程。它是洛桑联邦理工大学教授 Martin Odersky 的心血结晶。本访谈系列由多部分组成，由 Artima 网站的 Frank Sommers 和 Bill Venners 向 Martin Odersky 讨教 Scala。在第一部分 Scala 起源中（点击查看《Scala 起源》中文翻译），Odersky 讲述了导致Scala 诞生的那些历史。在第二部分 Scala 的设计目标中，它讨论了 Scala 设计中的妥协、目标、创新和优势。在第三部分 Scala 类型系统的目的中，他挖掘了 Scala 的类型系统的设计动机。本期是第四部分，也是最后一部分，Odersky 讨论了模式匹配。

模式匹配是什么？

Bill Venners: Scala 支持模式匹配。这是一种函数式编程技术，过去尚未在主流语言中出现过。你能解释一下它是什么，以及我们为什么需要它？

Martin Odersky: 模式匹配并不很新，（上世纪）七十年代中期就已经有语言采用。据我所知，第一种语言是 ML，但可能也有更早的语言支持。它在许多函数式语言中都算是标准功能，包括 ML、Caml、Erlang、以及 Haskell。

那么什么是模式匹配呢？它可以让你给一个值匹配多种情况，有点像 Java 中的 switch 语句。但它不仅可以像 switch 语句一样用来匹配数字，还可以匹配对象的内在构建形式。

比如，Scala 中的 List 存在两种情况：要么是空 List，写做 Nil；要么由一个head元素紧接着另一 List tail组成。有了模式匹配，你可以询问：给定的 List 是空 List 吗？只要编写 case Nil、箭头 (=>) 以及后续表达式即可：

case Nil => // 后续表达式

你还可以询问：它是非空 List 吗？只要编写 case x :: xs、箭头、以及后续表达式即可：

case x :: xs => // 后续表达式

双冒号（::）表示cons操作符；x 表示 List 的首元素，xs 表示剩余部分。于是，模式匹配会首先区分 List 是否为空。而如果 List非空，它会把 List 的首元素命名为 x 然后把 List 剩余部分命名为 xs。接下来，这些变量可以被箭头右侧表达式所用。（参见示例 1）

示例 1：match 表达式

list match {
  case Nil => "was an empty list"
  case x :: xs => "head was " + x + ", tail was " + xs
}

如果 list 不为空，将匹配到第二种情况，List 首元素将赋值给 x，而列表剩余部分赋值给 xs。接下来，这些变量将被箭头符号右侧的字符串连接表达式所用。例如，如果 list 内容是 List("hello", "world")，那么匹配表达式的结果将是字符串"head was hello, tail was List(world)"。

上例的模式非常简单。但实际上模式还支持嵌套，类似表达式的嵌套，能让你编写层数很深的模式。总的来说，亮点在于，模式和表达式看起来很像。模式本质上和表达式属于完全一类东西，看上去就像构造表达式一样，可以用来构造复杂树状对象，但却不需要编写 new。事实上，在 Scala 中，该对象构造时一样不需要 new。然后你可以在某些位置填上占位变量，对应树对象中实际存在的值。（参见示例 2）

示例 2：嵌套模式的 match 表达式

object match {
  case Address(Name(first, last), street, city, state, zip) => println(last + ", " + zip)
  case _ => println("not an address") // 默认情况 
}

在第一种情况下，模式 Name(first, last) 嵌在模式 Address(...) 中。last 放在了 Name 构造函数内，可以“提取”出值，因而，可供箭头右边的表达式使用。

模式匹配的目的

那么，为什么你需要模式匹配？我们每个人都有复杂的数据。如果我们坚持严格的面向对象的风格，那么我们并不希望直接访问数据内部的树状结构。相反，我们希望调用方法，然后在方法中访问。如果我们能够这样做，那么我们就再也不需要模式匹配了，因为这些方法已经提供了我们需要的功能。但很多情况下，对象并不提供我们需要的方法，而且我们无法（或者不愿）向这些对象添加方法。

例如 XML。如果给你一棵 XML 树，那么树就只是单纯的数据。要么是节点，要么是节点的序列。XML 是一种非常通用的数据表现形式。例如，DOM 本质上只是节点的数组，其中每个节点的类型都未知。现在我们设想一下，如果把 XML 树转换到某种更强的框架中，可以给你一个列表，容纳各种不同类型的对象。组成列表的元素可能包括诸如电话号码、备忘录或地址等。如果你想以静态类型的方式获取所有这些东西，就会遇上一个问题：你不知道每个元素的类型。在传统面向对象的编程语言中，唯一可行方式是，编写一大堆 instanceof 检测，一一测试每个元素是 PhoneNumber 实例、Memo 实例，还是其他实例。一旦这些 instanceof 语句之一检测成功，你还需要进行类型转换。上述做法相当丑陋和笨拙，有了模式匹配就能避免了。模式匹配能以更安全、更自然的方式完成相同功能。

从本质上讲，当你从外部取得具有结构的对象图时，模式匹配就必不可少。你会在若干情况下遇到这种现象，XML 是其中之一。各种从文本解析而来的数据，都属于这一类。例如，有一种典型情况下模式匹配必不可少，即，处理编译器中的抽象语法树的情况。如果你要对表达式进行化简操作，表达式会被表示为树，你需要通过模式匹配对这些树进行提取操作。类似那样的情况还有许多。遇到这些情况时，模式匹配真的必不可少。

反向构造对象

Bill Venners: 你说模式像表达式，而且就像某种反向的表达式。正向的表达式向结果中插入值，反向的表达式却是给定结果，一旦匹配成功，就能反过来从结果中抽取出一大堆值。

Martin Odersky: 对。它还真就是反向的构造器。我可以通过嵌套构造器来构造对象，在构造时提供一些参数。比方说，我有一个方法，给它一些参数，就能从这些参数构造出复杂的对象结构。模式匹配正好相反——给定一个复杂数据结构，模式匹配就能抽取出先前用来构造该结构时所用的参数。

可扩展性的两个方向

Bill Venners: 听起来你好像在谈及一种面向对象的解决方案，解决的问题是：如何在现有对象中新增涉及内部数据的行为。理想情况下，你会把方法添加到子类型中，比如 Memo、Address 以及任何其他节点类型。你会在它们公共超类上调用这些方法，这些方法会通过动态绑定找到某个具体类。好比说，“我是 Memo，我干 Memo 该干的事。”但你说的问题是，往往你没办法轻易添加方法。

Martin Odersky: 是的，就是这样。关键问题是，你在什么时候添加方法？这个问题多半是在质问可扩展性。举个典型的面向对象例子：图形用户界面。你有很多不同的组件，都能做相同的事情。它们可以显示、可以隐藏、可以重绘……诸如此类。你与这些组件交互的协议是固定的，但你要打交道的组件数量却是无限的。用户时时刻刻都在发明新的图形用户界面组件。在这种情况下，面向对象的方法是正解。而且是唯一正解。事实上，有史以来第一种面向对象语言，理当是用于仿真领域的。该语言是 Simula-67 ，其主要用途就很类似图形用户界面领域。而第二种面向对象语言， Smalltalk ，则是在史上第一套实用图形用户界面开发的同时发明的。所以，这种语言真正回答了以下问题：怎样以可扩展的方式编写图形用户界面？

但这仅仅是可扩展性的观念之一。如果涉及一组相对固定的结构，则需要另一种观念。虽然你不想改变结构，但是你想要对这一组结构做的操作，却有无尽的可能。你会一直想要添加新的操作。典型的例子是编译器。编译器处理语法树，而语法树表示你写的程序。只要你不修改语言规范，语法树结构就会保持不变。这颗树一直都一个样。然而，编译器想要对语法树做的事情则天天都会变。明天你可能就会设想要新增一个优化阶段，需要遍历语法树。所以，你需要某种方式，把操作定义在树以外，因为，不然的话，每当你要向编译器添加新的优化阶段等行为时，你就必须为所有树节点类添加新方法。这显然非常昂贵、非常麻烦。

所以，完成工作的正确工具是什么？确实取决于你希望扩展的方向。如果你想要扩展新的数据，那么就该选择经典的面向对象途径，以及虚方法。如果你想保持数据类型固定，而只扩展新的操作，那么模式匹配更合适些。实际上面向对象编程中有一种设计模式（注意“设计模式”与“模式匹配”中的“模式”二字含义不同）叫做访问者模式。我们利用模式匹配能做的事，也可以用访问者模式来表达。但访问者模式利用了面向对象的虚方法分发机制。然而实践中，访问者模式非常笨重。很多用模式匹配很容易做到的事情，用访问者模式做不到。最终会导致访问者实现代码非常厚重。而且，最后我们发现，基于现代的虚拟机技术，访问者模式要比模式匹配性能更低。鉴于这两个原因，我认为模式匹配的确有用武之地。

阅读英文原文： The Point of Pattern Matching in Scala

感谢魏星对本文的策划和审校。

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