Scala语法 Case Class和模式匹配

时间：2022-01-16 05:51:04

本专题侧重介绍Scala的case class和pattern matching（模式匹配），这俩个两个程序结构对于处理树结构的数据非常有帮助。Scala的case class使得对对象进行模式匹配变得非常方便，简单的来说，Scala的case class就是在普通的类定义前加case这个关键字，然后你可以对这些类来模式匹配。 
在我们详细介绍Scala的Case class和模式匹配之前，我们可以通过一个简单的例子来说明一些基本概念。我们设计一个函数库，这个函数库可以用来计算算术表达式，为简单起见，我们设计的算术表达式只侧重于变量，数字，单操作符，和双操作符。我们可以采用如下的Scala类定义：

abstract class Expr
case class Var(name:String) extends Expr
case class Number(num:Double) extends Expr
case class UnOp(operator:String, arg:Expr) extends Expr
case class BinOp(operator:String,left:Expr,right:Expr) extends Expr

这里我们定义了一个抽象类Expr和四个子类（分别代表变量，数值，单操作符，双操作符），Scala允许我们不定义类的实现，实际我们是class C 和 class C {}是等价的。

case classes 
我们可以看到上面的四个子类定义前面我们使用了case关键字，使用了case关键字的类定义就是case classes。使用这个关键字，Scala编译器会自动为你定义的类生成一些成员。 
首先，编译器为case class生成一个同名的对象构造器（Factory Method），也就是你可以使用 Var(“x”) 来创建一个类的实例，而无需使用new Var(“x”).

scala> val x = Var("x")
x: Var = Var(x)

这个构造器在嵌套使用时显得非常简洁明了，比如 我们构建如下的表达式，这种写法避免了很多new 的使用。

scala> val op=BinOp("+",Number(1),x)
op: BinOp = BinOp(+,Number(1.0),Var(x))

其次，Scala编译器为case class的构造函数的参数创建以参数名为名称的属性，比如Val的类的参数name:String 可以直接通过 .name访问，比如：

scala> x.name
res1: String = x

第三，编译器为case class 构造了更自然的toString，hashCode和equals实现，它们会递归打印，比较case class的参数属性。比如：

scala> println(op)
BinOp(+,Number(1.0),Var(x))

scala> op.right == Var("x")
res3: Boolean = true

最后一点，Scala编译器为case class添加了一个Copy方法，这个copy方法可以用来构造类对象的一个可以修改的拷贝。这对于使用已有的对象构造一个新实例非常方便，你只要修新创建实例的某些参数即可。 
比如我们想创建一个和op类似的新的实例，只想修改+为-,可以使用：

scala> op.copy(operator="-")
res4: BinOp = BinOp(-,Number(1.0),Var(x))

以上这些惯例带来了很多便利，这些便利也需要一些小小的代价，就是需要在class前面使用case关键字，而构造后的类由于自动添加了一些方法而变大了些。case class带来的最大的好处是它们支持模式识别。

Pattern matching 
比如说你需要简化表达式的表示方法，这里给出一个简单的规则：

UnOp(“-”,Unop(“-”,e)) => e//负负得正 
BinOp(“+”,e,Number(0)) => e//和0加 
BinOp（”*”,e,Number(1)) => e //和1乘

使用模式匹配，在Scala我们几乎和使用和上面规则非常类似的代码来实现表达式的简化：

scala> def simplifyTop(expr :Expr) :Expr = expr match {
  |   case UnOp("-",UnOp("-",e))=>e
  |   case BinOp("+",e,Number(0))=>e
  |   case BinOp("*",e,Number(1))=>e
  |   case _ => expr
  |
  | }
simplifyTop: (expr: Expr)Expr

scala> simplifyTop(UnOp("-",UnOp("-",Var("x"))))
res6: Expr = Var(x)

scala>

simplifyTop 定义使用了match表达式，它对应Java的switch语句，但它的语法和switch不同，它的selector 在match前面： 
selector match { alternatives}

一个模式匹配由多个可选项组成，没个选项由case开始，每个选项定义一个模式，每个模式对应一个表达式，表达式应用到当模式匹配的时候。模式和表达式之间使用=>分隔。 
一个match表达式的结果取决于第一个匹配的可选项，当该项模式匹配时，该模式=>后的表达式被选中然后计算该表达式的值。 
一个常量模式，比如本例中的“+”和“0”, 匹配对应的常数，一个变量模式比如e，可以匹配任意的值。然后=>右边的表示式可以应用这个变量，“_”为通配符，可以匹配任意的值。 
构造器模式，比如UnOp(“-”,e)，可以匹配UnOp类型的值，这个UnOp的第一个参数为”-“,第二个参数可以为任意。

和Java的 switch语句比较，Scala的match 有以下几个不同点：

  • match为一表达式，有返回结果，其返回结果为匹配项表示式的值。
  • match的选项没有break,也不会自动匹配下一个选项（no fall through).
  • 如果没有一个选项匹配，那么将抛出MatchError异常，这意味着你必须保证考虑到Match的所有的选项，因此可能你需要添加一个缺省选项。
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