阐述 `Pattern Matching for switch` (JEP 441) 提案如何简化复杂条件判断和类型检查，以及 `Guard Clauses` 的应用。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

大家好！我是老码农，今天咱们来聊聊Java里一个让代码更优雅、更简洁的利器：Pattern Matching for switch (JEP 441)。这玩意儿啊，说白了就是让switch语句变得更聪明，更懂你的心思。

开场白：告别冗长的 if-else 地狱

在Java的世界里，条件判断那是家常便饭。但如果条件复杂起来，if-else 就像搭积木一样，一层叠一层，最后变成一座摇摇欲坠的“巴别塔”。代码读起来费劲，维护起来更是噩梦。比如下面这段经典的例子：

Object obj = ...; // 假设这是一个Object类型的变量

if (obj instanceof String) {
    String str = (String) obj;
    System.out.println("这是一个字符串，长度是：" + str.length());
} else if (obj instanceof Integer) {
    Integer num = (Integer) obj;
    System.out.println("这是一个整数，值是：" + num);
} else if (obj instanceof List<?>) {
    List<?> list = (List<?>) obj;
    System.out.println("这是一个列表，大小是：" + list.size());
} else {
    System.out.println("我不认识这是啥！");
}

这段代码，首先要用 instanceof 判断类型，然后强制类型转换，才能使用对应类型的方法。重复劳动，而且容易出错。Java程序员都知道，这种代码写起来有多痛苦。

现在，有了 Pattern Matching for switch，我们可以优雅地告别这种冗长的 if-else 地狱了！

Pattern Matching for switch: 让 switch 语句焕发新生

Pattern Matching for switch 本质上是对 switch 语句的增强，让它能够直接匹配类型并进行类型转换。这就像给 switch 装上了一个智能识别器，再也不用我们手动去判断类型和转换了。

先来一个简单的例子：

Object obj = "Hello, Pattern Matching!";

switch (obj) {
    case String str -> System.out.println("这是一个字符串，长度是：" + str.length());
    case Integer num -> System.out.println("这是一个整数，值是：" + num);
    case List<?> list -> System.out.println("这是一个列表，大小是：" + list.size());
    default -> System.out.println("我不认识这是啥！");
}

看到了吗？代码简洁了不少！

case String str: 这就是模式匹配。它既检查 obj 是否是 String 类型，如果是，就自动将 obj 转换成 String 类型的变量 str。你直接就可以使用 str 了，省去了 instanceof 和强制类型转换的步骤。
->: 不再使用 break 语句了，箭头函数更加简洁。
default: 和以前的 switch 一样，处理所有没有匹配到的情况。

进阶玩法：Guarded Patterns (守卫条件)

光是类型匹配还不够，有时候我们还需要根据对象的状态来做判断。比如，我们只想处理长度大于 5 的字符串，或者只想处理偶数。这时候，Guarded Patterns 就派上用场了。

Guarded Patterns 允许我们在 case 后面加上一个 when 子句，用于添加额外的判断条件。只有当类型匹配成功，并且 when 子句的条件也为真时，才会执行对应的代码块。

Object obj = "Hello, Pattern Matching!";

switch (obj) {
    case String str when str.length() > 5 -> System.out.println("这是一个长度大于5的字符串：" + str);
    case String str -> System.out.println("这是一个字符串，长度小于等于5：" + str);
    case Integer num when num % 2 == 0 -> System.out.println("这是一个偶数：" + num);
    case Integer num -> System.out.println("这是一个奇数：" + num);
    default -> System.out.println("我不认识这是啥！");
}

在这个例子中：

case String str when str.length() > 5: 只有当 obj 是 String 类型，并且长度大于 5 时，才会执行这个 case。
case Integer num when num % 2 == 0: 只有当 obj 是 Integer 类型，并且是偶数时，才会执行这个 case。

when 子句可以使用任何返回 boolean 值的表达式。这让我们可以根据对象的任意属性或状态进行条件判断，非常灵活。

更复杂的例子：处理几何图形

假设我们要处理不同类型的几何图形，根据图形的类型和属性来计算面积。

sealed interface Shape permits Circle, Rectangle, Triangle {}
record Circle(double radius) implements Shape {}
record Rectangle(double length, double width) implements Shape {}
record Triangle(double base, double height) implements Shape {}

public class PatternMatchingDemo {

    public static double getArea(Shape shape) {
        return switch (shape) {
            case Circle c -> Math.PI * c.radius() * c.radius();
            case Rectangle r -> r.length() * r.width();
            case Triangle t -> 0.5 * t.base() * t.height();
        };
    }

    public static void main(String[] args) {
        Shape circle = new Circle(5);
        Shape rectangle = new Rectangle(4, 6);
        Shape triangle = new Triangle(3, 8);

        System.out.println("圆的面积: " + getArea(circle));
        System.out.println("矩形的面积: " + getArea(rectangle));
        System.out.println("三角形的面积: " + getArea(triangle));
    }
}

在这个例子中，我们定义了一个 Shape 接口，以及 Circle，Rectangle，Triangle 三个实现了 Shape 接口的 record。getArea 方法使用 Pattern Matching for switch 来根据不同的图形类型计算面积。代码简洁明了，可读性很高。

sealed 关键字的加持

上面的例子中，sealed interface Shape 是什么意思呢？ sealed 关键字是 Java 17 引入的，用于限制接口或类的实现。 permits 关键字指定了允许实现 Shape 接口的类。这样做的好处是，编译器可以知道 Shape 接口的所有可能的实现，从而进行更严格的类型检查。

如果我们在上面的 switch 语句中漏掉了一个 Shape 的实现，比如 Triangle，编译器就会报错，提示我们缺少一个 case。这可以帮助我们避免在运行时出现意外的错误。

Pattern Matching for switch 的优势总结

代码更简洁: 省去了 instanceof 和强制类型转换的步骤，代码更易读。
减少错误: 编译器可以进行更严格的类型检查，减少运行时错误。
提高可维护性: 代码结构更清晰，更容易维护和修改。
更强大的表达能力: Guarded Patterns 允许我们根据对象的任意属性或状态进行条件判断，更加灵活。

与其他模式匹配技术的比较

Java 的 Pattern Matching for switch 并不是唯一的模式匹配技术。其他编程语言，比如 Scala、Kotlin、Haskell 等，也提供了强大的模式匹配功能。

下面是一个简单的对比表格：

特性	Java (`Pattern Matching for switch`)	Scala	Kotlin	Haskell
类型匹配	支持	支持	支持	支持
守卫条件	支持	支持	支持	支持
解构	有限支持 (Record 解构)	支持	支持	支持
模式嵌套	支持	支持	支持	支持
Exhaustiveness	编译器检查 (配合 `sealed` 使用)	编译器检查	不支持	编译器检查

解构 (Destructuring)：指的是将一个复杂对象拆解成多个部分，并将这些部分绑定到变量上。 Java 的 Record 解构提供了一定的解构能力，但不如 Scala 和 Kotlin 灵活。
Exhaustiveness (穷尽性)：指的是编译器能够检查 switch 语句是否覆盖了所有可能的情况。 Java 配合 sealed 关键字可以实现 exhaustiveness 检查，Scala 和 Haskell 也支持。

注意事项和最佳实践

null 值处理: Pattern Matching for switch 也需要处理 null 值。如果 switch 的表达式是 null，并且没有 case null 的情况，那么会抛出 NullPointerException。

Object obj = null;

switch (obj) {
    case String str -> System.out.println("这是一个字符串：" + str);
    case Integer num -> System.out.println("这是一个整数：" + num);
    case null -> System.out.println("这是一个 null 值"); // 加上这个 case 就不会抛出异常了
    default -> System.out.println("我不认识这是啥！");
}

case 的顺序: case 的顺序很重要。 Java 会按照 case 的顺序进行匹配，一旦匹配成功，就不会再继续匹配后面的 case。

Object obj = "Hello";

switch (obj) {
    case Object o -> System.out.println("这是一个 Object"); // 这个 case 会先匹配到，导致 String 的 case 永远不会执行
    case String s -> System.out.println("这是一个字符串：" + s);
    default -> System.out.println("我不认识这是啥！");
}

避免复杂的 when 子句: 虽然 when 子句很强大，但也要避免写过于复杂的条件表达式。如果条件太复杂，建议将其提取成一个单独的方法，以提高代码的可读性。
配合 sealed 关键字使用: 如果你的类型是有限的，比如一个枚举或者一个 sealed 接口，那么配合 sealed 关键字使用 Pattern Matching for switch 可以获得更好的类型安全性和 exhaustiveness 检查。

实际应用场景

Pattern Matching for switch 在很多场景下都能发挥作用：

编译器: 编译器需要处理各种不同的语法结构， Pattern Matching for switch 可以简化编译器的代码。
数据处理: 在处理不同类型的数据时， Pattern Matching for switch 可以根据数据的类型进行不同的处理。
事件处理: 在事件驱动的系统中， Pattern Matching for switch 可以根据事件的类型来执行不同的操作。
状态机: Pattern Matching for switch 可以用于实现状态机，根据当前的状态来执行不同的动作。

总结：拥抱更优雅的 Java 代码

Pattern Matching for switch 是 Java 语言的一个重要改进，它让我们可以编写更简洁、更易读、更安全的代码。通过类型匹配和 Guarded Patterns，我们可以轻松地处理复杂的条件判断和类型检查。配合 sealed 关键字，还可以获得更好的类型安全性和 exhaustiveness 检查。

虽然 Pattern Matching for switch 并不是万能的，但在很多场景下，它可以显著提高我们的开发效率和代码质量。所以，让我们一起拥抱 Pattern Matching for switch，编写更优雅的 Java 代码吧！

代码示例：一个更复杂的例子，模拟一个简单的计算器

sealed interface Expression {
    record Constant(int value) implements Expression {}
    record Addition(Expression left, Expression right) implements Expression {}
    record Subtraction(Expression left, Expression right) implements Expression {}
    record Multiplication(Expression left, Expression right) implements Expression {}
    record Division(Expression left, Expression right) implements Expression {}
}

public class Calculator {

    public static int evaluate(Expression expression) {
        return switch (expression) {
            case Expression.Constant c -> c.value();
            case Expression.Addition a -> evaluate(a.left()) + evaluate(a.right());
            case Expression.Subtraction s -> evaluate(s.left()) - evaluate(s.right());
            case Expression.Multiplication m -> evaluate(m.left()) * evaluate(m.right());
            case Expression.Division d when evaluate(d.right()) != 0 -> evaluate(d.left()) / evaluate(d.right());
            case Expression.Division d -> {
                System.out.println("除数不能为0!");
                yield 0; // 或者抛出一个异常
            }
        };
    }

    public static void main(String[] args) {
        Expression expression = new Expression.Addition(
                new Expression.Constant(10),
                new Expression.Multiplication(
                        new Expression.Constant(5),
                        new Expression.Constant(2)
                )
        );

        int result = evaluate(expression);
        System.out.println("计算结果: " + result);

        Expression divisionByZero = new Expression.Division(
                new Expression.Constant(10),
                new Expression.Constant(0)
        );

        evaluate(divisionByZero); // 输出: 除数不能为0!
    }
}

这个例子展示了 Pattern Matching for switch 在处理递归数据结构时的强大能力。 evaluate 方法递归地计算表达式的值，根据不同的表达式类型进行不同的计算。 Guarded Patterns 被用于处理除数为 0 的情况，避免了潜在的运行时错误。

希望今天的分享能帮助大家更好地理解和使用 Pattern Matching for switch。记住，代码的简洁和可读性同样重要，让我们一起努力，写出更优雅的 Java 代码！

讲座就到这里，感谢大家！

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