Python 為什么不支持 switch 語(yǔ)句？

為什么想要聊這個(gè)話題呢？

主要是因?yàn)?switch 在其它語(yǔ)言中太常見了，而 Python 卻不支持，這樣的獨(dú)特性本身就值得關(guān)注，而回答這個(gè)問題，也能更加看清 Python 在程序設(shè)計(jì)上的理念，了解 Python 在語(yǔ)法設(shè)計(jì)中的決策過程。

本文除了會(huì)詳細(xì)分析 PEP-275 和 PEP-3103，還會(huì)介紹到 Python 最新的發(fā)展動(dòng)態(tài)（PEP-622），即可能要引入的模式匹配（pattern matching）語(yǔ)法，相信這個(gè)話題會(huì)開闊大家的眼界，從而對(duì) switch 語(yǔ)法有更為全面的認(rèn)識(shí)。

1、switch 是什么？

在開始正題之前，我們需要先聊聊 switch 是什么？

有些同學(xué)可能會(huì)第一時(shí)間想到它……

喂~喂~，麻煩收收心，別總想著游戲啦，我們要說的是編程語(yǔ)言中的 switch 語(yǔ)句。

一般而言，switch 的語(yǔ)法格式如下：

switch(expression){
    case value1:
       // 語(yǔ)句
       break; // 可選
    case value2:
       // 語(yǔ)句
       break; // 可選
    default: // 可選
       // 語(yǔ)句
}

使用流程圖來表示，大概是這樣的：

它的用法不難理解：switch 語(yǔ)句的值滿足哪一個(gè) case 情況，就會(huì)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的代碼塊，執(zhí)行時(shí)遇到 break 就跳出，否則就繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè) case 分支；一般會(huì)在最后放一個(gè) default 分支，作為兜底。

大多數(shù)語(yǔ)言都提供了 switch 語(yǔ)句或者極其相似的東西，例如，在 C/C++/Java /Go 等靜態(tài)語(yǔ)言中，它們都支持 switch-case 結(jié)構(gòu)；在 Ruby 中有類似的 case-when 結(jié)構(gòu)，在 Shell 語(yǔ)言中，有相似的 case-in 結(jié)構(gòu)，在 Perl 中，有 switch-case-else……

switch 語(yǔ)句的好處是支持“單條件多分支”的選擇結(jié)構(gòu)，相比 if-else 的二分選擇結(jié)構(gòu)，在某些時(shí)候會(huì)更為簡(jiǎn)潔清晰。

但是，在 Python 中，我們看不到 switch-case 或者相近的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，這是為什么呢？

2、Python 為什么不支持 switch?

官方文檔中有一篇 FAQ 包含了這個(gè)問題：Why isn’t there a switch or case statement in Python?

文檔里其實(shí)并沒有正面回答這個(gè)問題，而給出了幾個(gè)建議，告訴了我們幾個(gè) switch/case 的替代方案：

• 使用 if-elif-else 條件判斷語(yǔ)句

• 使用字典，將 case 值與調(diào)用的函數(shù)映射起來

• 使用內(nèi)置 getattr() 檢索特定的對(duì)象調(diào)用方法

曾有人提出過一些提案（即 PEP-275 和 PEP-3103），想給 Python 引入 switch 語(yǔ)法，然而，對(duì)于“是否以及如何進(jìn)行靶場(chǎng)測(cè)試”，大家沒有達(dá)成一致的共識(shí)。

靶場(chǎng)測(cè)試，即 range test，指的是對(duì)武器彈藥的技術(shù)性能作各種測(cè)試驗(yàn)證，與藥物的臨床試驗(yàn)一樣，都是在最終產(chǎn)品交付前的一項(xiàng)關(guān)鍵性測(cè)試。

官方文檔對(duì)于“為什么 Python 不引入 switch”的解釋，實(shí)際上來源于 Python 之父 Guido van Rossum 在 PEP-3103 中的意見：

A quick poll during my keynote presentation at PyCon 2007 shows this proposal has no popular support. I therefore reject it.

我在 PyCon 2007 的主題演講中做了一個(gè)快速的民意調(diào)查，結(jié)果表明這個(gè)提案沒有得到廣泛的支持。因此，我拒絕了它。

簡(jiǎn)而言之，PEP 提案有了，語(yǔ)法實(shí)現(xiàn)也有了雛形，但是核心開發(fā)者們似乎沒有達(dá)成一致意見，最終導(dǎo)致提案流產(chǎn)了。

3、PEP-275 與 PEP-3103 說了什么？

PEP-3103 是在 2006 年提出的，PEP-275 則是在 2001 年提出的，它們的共同之處是提出了引入 switch 語(yǔ)句的某種必要性、分析了好幾種備選的實(shí)現(xiàn)方案，然而，結(jié)局是都被拒絕了。

出處：https://www.python.org/dev/peps/pep-0275

那么，我們就先來回顧一下核心開發(fā)者們都做出了哪些討論，看一看如果 Python 要實(shí)現(xiàn) switch 結(jié)構(gòu)，會(huì)是怎么樣子的？（PS：PEP 里還涉及其它內(nèi)容，本文只摘取與 switch 直接相關(guān)的部分）

PEP-275 提出的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)如下：

switch EXPR:
    case CONSTANT:
        SUITE
    case CONSTANT:
        SUITE
    ...
    else:
        SUITE

其中 else 分支是可選的，如果沒有它，并且前面的分支都不滿足的話，就什么也不做。另外 case 值 constant 支持不同類型，因?yàn)?expr 表達(dá)式的類型是動(dòng)態(tài)的。

PEP-275 還提出讓 switch 不支持掉落（fall-through）行為，即每個(gè) case 分支相互獨(dú)立而完整，不用像 C 語(yǔ)言那樣需要寫 break。

該 PEP 還列舉了一些其它的 issue：

• 重用現(xiàn)有關(guān)鍵字，不引入“switch”和“case”

• 使用新的關(guān)鍵字，避免與 C 的 switch 概念混淆

• 支持單分支多值選擇（例如：case 'a', 'b', 'c': …）

• 還有建議支持范圍取值判斷（例如：case 10..14: …）

除了首選方案，該 PEP 還記錄了幾種風(fēng)格各異的語(yǔ)法方案：

case EXPR:
    of CONSTANT:
        SUITE
    of CONSTANT:
        SUITE
    else:
        SUITE

case EXPR:
    if CONSTANT:
         SUITE
    if CONSTANT:
        SUITE
    else:
        SUITE

when EXPR:
    in CONSTANT_TUPLE:
        SUITE
    in CONSTANT_TUPLE:
        SUITE
    ...
else:
     SUITE

PEP-275 記錄下了不少重要的思路和問題，為 PEP-3103 的出現(xiàn)做了很好的鋪墊。

那么，我們?cè)賮砜纯从?Guido 編寫的 PEP-3103 說了些什么吧。

它首先認(rèn)可了 PEP-275 中的兩個(gè)基礎(chǔ)設(shè)定，例如，實(shí)現(xiàn)“隱式的 break”，不讓 case 分支出現(xiàn) fall-through 這種轉(zhuǎn)移控制權(quán)的情況（其它語(yǔ)言似乎都要求顯式地寫 break）；else 分支是可選的，復(fù)用 else 關(guān)鍵字，而不用引入“default”。

對(duì)于 PEP-275 提倡的那種風(fēng)格，Guido 比較認(rèn)可，但也認(rèn)為它的問題是縮進(jìn)層次太多，因此建議減少代碼分支縮進(jìn)的空格數(shù)，例如本來縮進(jìn) 4 空格，改為縮進(jìn) 2 空格。

PEP-3103 還列舉了另外三種實(shí)現(xiàn)方案，分析了它們的差異以及問題，具體內(nèi)容從略，這里只給大家看看它們的風(fēng)格：

# case 分支不縮進(jìn)
switch EXPR:
case EXPR:
    SUITE
case EXPR:
    SUITE
....
else:
    SUITE

# switch 語(yǔ)句后不加冒號(hào)
switch EXPR
case EXPR:
    SUITE
case EXPR:
    SUITE
....
else:
    SUITE

# 省略 case 關(guān)鍵字
switch EXPR:
    EXPR:
        SUITE
    EXPR:
        SUITE
    ...
    else:
        SUITE

在基礎(chǔ)語(yǔ)法之外，Guido 花了很多篇幅來討論擴(kuò)展語(yǔ)法（Extended Syntax），即在一個(gè) case 分支中實(shí)現(xiàn)匹配多個(gè)值的復(fù)雜情況：

case EXPR, EXPR, ...:

# Guido 優(yōu)選的
case in EXPR_LIST:

case *EXPR:

case [*]EXPR, [*]EXPR, ...:

case *(EXPR, EXPR, ...):

他重點(diǎn)考慮到的問題包括：switch 中表達(dá)式的結(jié)果是元組或可迭代對(duì)象的情況、case 的值被看成元組解包的情況、在 case 分支作“*”星號(hào)操作……

接著，Guido 又用了非常非常多的篇幅來分析該如何實(shí)現(xiàn) switch，其中討論到的主要思路有：

• 使用等價(jià)的 if-elif 鏈來定義 switch 語(yǔ)句（可能會(huì)做些優(yōu)化）

• 同上，另外所有表達(dá)式都必須是可哈希的（hashable）

• 看作是預(yù)先計(jì)算的字典的分派（dispatch）

PEP 中這部分的內(nèi)容非常多，因?yàn)樵诿總€(gè)思路上，Guido 還考慮到了好幾種實(shí)現(xiàn)路徑，這導(dǎo)致了他在復(fù)雜分析后的結(jié)論是：It is too early to decide（ 現(xiàn)在做決定為時(shí)尚早）。

閱讀完 PEP-3103 后，我總體的感覺是：Guido 的思路非常發(fā)散、層次豐富，但是，缺少了他在面對(duì)其它問題時(shí)那“快刀斬亂麻”式的洞察力。

也就是說，在諸多的可能性方案中，他力求面面俱到，最終無法說服自己做出一個(gè)獨(dú)裁的決定。阻力主要來自于他自己，而不是其他人。

不過，之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況，也許跟他的預(yù)設(shè)立場(chǎng)有關(guān)：他似乎認(rèn)為“Python is fine without a switch statement”，因此盡管寫了很長(zhǎng)的 PEP，但只是在把問題復(fù)雜化，把議題擱置起來。

最后，他在 PyCon 上做了一個(gè)小范圍調(diào)查，借此“名正言順”地拒絕了自己發(fā)起的 PEP，試圖堵住眾人的悠悠之口……

4、未來會(huì)有 switch 語(yǔ)句么？

歸結(jié)起來，之所以 Python 沒有 switch 語(yǔ)句，原因有：switch 的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)/功能點(diǎn)未經(jīng)敲定、沒有 switch 也挺好的、有其它不錯(cuò)的方法替代 switch、Guido 的小任性……

但是，我們還是要追問一句：未來會(huì)有 switch 語(yǔ)句么？或者類似的多分支選擇結(jié)構(gòu)？

為什么要有此一問呢？原因是有太多語(yǔ)言自帶 switch 語(yǔ)句，而且也有很多人嘗試編寫提供 switch 功能的庫(kù)（我記得在 PyCoder's Weekly 里曾見到過兩次）。

幾乎可以肯定地說，Python 未來也不會(huì)有 switch，但是，它很可能會(huì)引入一個(gè)類似于 switch 且更為復(fù)雜的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)！

2020 年 6 月，PEP-622 被提出了，它建議引入在 Scala、Erlang 和 Rust 等語(yǔ)言中的模式匹配語(yǔ)法（pattern matching）。

該 PEP 又被分解成另外三個(gè) PEP（634-636），并于 2021 年 2 月 8 日得到了指導(dǎo)委員會(huì)的通過。這意味著，正在開發(fā)中的 Python 3.10 將正式擁有 match-case，不用再寫一連串的 if-else 了。

以一個(gè)求平均數(shù)的函數(shù)為例，模式匹配語(yǔ)法可以實(shí)現(xiàn)成這樣：

def average(*args):
    match args:
        case [x, y]:           # captures the two elements of a sequence
            return (x + y) / 2
        case [x]:              # captures the only element of a sequence
            return x
        case []:
            return 0
        case x:                # captures the entire sequence
            return sum(x) / len(x)

match-case 結(jié)構(gòu)神似于 switch-case 結(jié)構(gòu)，然而它基于模式（pattern）而非表達(dá)式（expression），因此有更多待考慮的細(xì)節(jié)問題，也有更為廣闊的應(yīng)用空間。

對(duì)此話題感興趣的讀者，建議去查閱這幾個(gè)新的 PEP。

最后，讓我們回到標(biāo)題中的問題：Python 為什么不支持 switch 語(yǔ)句？

官方文檔的 FAQ 對(duì)此問題有一個(gè)解答，告訴我們有幾個(gè)不錯(cuò)的替代寫法，同時(shí)也留下了一條線索：曾有 PEP 提議引入 switch，只是沒有成功實(shí)現(xiàn)。

沿著這條線索，本文拆解了 PEP-275 和 PEP-3103 這兩篇文檔，帶大家看到了 Python 社區(qū)里提出過的風(fēng)格各異的 switch 方案，以及諸多的懸而未決的問題。

最后，我們還關(guān)注到了最新的 PEP-622 的動(dòng)態(tài)，switch 的“孿生兄弟” match 語(yǔ)法即將引入到 Python 中！switch 話題的討論似乎要終止了，但這也許是另一個(gè)更大話題的開始。

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