Elixir 简明笔记（三）--- 模式匹配

函数式语言的一大特点就是使用模式匹配来做条件判断。Elixir甚至可以使用模式匹配来替代 if else 这些传统编程语言的控制结构。模式匹配对于Elixir至关重要，那么到底什么是模式匹配呢？

赋值号？等号？模式匹配号？

稍微有一点编程经验的人都会知道“=”这个符号是赋值符号，左边表示一个变量，右边是一个表达式或者值，将右边的值或表达式求值的结果赋予左边的变量。刚开始学编程的时候，都会强调赋值号与数学中的等号的差别。

可是在elixir中，你又得忘掉编程中的赋值号，重新拾起遗忘的数学等号。因为Elixir并没有赋值的概念，“=”也不是赋值号。Elixir中的“=”号是一个模式匹配符号。

变量绑定

=号是一个模式匹配符号，匹配成功将会进行绑定。请看下面的例子：

iex(1)> x = 1
1
iex(2)> x
1
iex(3)>

上述代码中，在x=1这个表达式中，左边的x是一个变量（实际上很多函数式语言的变量都是不可变的量，elixir的“变量”也是不变的）。右边的 1 是一个数值。表达式的含义是进行变量绑定。将1的值绑定给变量x，所以输入x的时候，对x求值等于1。

也许你不以为然，变量绑定和赋值有什么差别呢？那么请看下面的语句：

iex(1)> x = 1
1
iex(2)> x
1
iex(3)> 1 = x
1
iex(4)> x
1
iex(5)>

常见的传统编程语言可不会出现1=x这样的表达式。实际上，Elixir中的=和数学上的等号概念类似，左边等于右边，右边等于左边，那么表达式就不会报错。当然，对于变量，可以重新绑定：

iex(1)> x = 1
1
iex(2)> x
1
iex(5)> x = 2
2
iex(6)> x
2

这个过程其实并没有改变变量x的值，而只是对x进行了重新的绑定。效果类似改变了值。

模式，匹配

既然知道了=是模式匹配符号，而不是等号，那上面为什么在说变量绑定？Elixir中的模式匹配英文是Pattern Match。可以理解为通过某个模式进行匹配，就像使用正则表达式这样的pattern对字符串进行匹配一样。一旦匹配成功，就会对匹配的项进行变量绑定。从匹配到绑定整个过程称之为模式匹配。有点拗口，贵在理解啦。

模式匹配，就必须先知道模式。=符号左边表示一个模式（pattern），右边则是一个表达式，或者一个数值。所谓的模式，也可以是一个数值，可以是一个变量，甚至也可以一些基本数据结构，例如列表（List），元组（Tuple），类字典（Dicionary）等。只要等号左右两边的数据类型和结构相同，则可以匹配。

从最简单的开始吧。前面的例子，我们见识了变量的模式匹配

iex(8)> a = 1
1

模式a和数值1匹配，匹配成功，将右边的数值和左边的模式变量a进行绑定。

iex(8)> a = 1
1
iex(9)> 1 = a
1

1=a，这个模式匹配表示含义是，左边的模式是数字1。右边是一个变量，该变量已经绑定了数值1，因此对a变量（表达式）求值，得到值1。表达式实际含义等价于1 = 1。右边的值1和左边的数字1值相等，匹配成功，然后进行变量绑定，可是右边的模式是数字1不是变量，就忽略了绑定过程。整个模式匹配成功。

在看下面的代码：

iex(8)> a = 1
1
iex(9)> 1 = a
1
iex(10)> 2 = a
** (MatchError) no match of right hand side value: 1
iex(10)>

表达式2=a发生了MatchError错误。这里模式匹配不成功，因为 2 = 1 明显不成了，匹配失败。前面的例子中，变量进行了重绑定，实际上是进行了重新的模式匹配。

模式匹配本质是对等式求值的过程，例如数学的等式中 x = y + 1。如果我们知道了y的值，自然可以通过数学表达式运算，求出x的值。模式匹配的本质就是针对右边的表达式或数字字面量求值，然后根据等式的原则，计算出左边的模式的值，再对左边进行变量的绑定。

模式匹配可以看成表达式运算，那么表达式肯定要是一类东西，而不是别的什么玩意了。例如x = y + 1中的 x 和 y都是变量。如果是这样的表达式 fn x -> x end = y + 1。左边是一个匿名函数式，显然函数是不能进行加减运算的。这也就是为什么左边的变量或表达式称之为模式。

复杂的例子

下面看几个复杂一点的模式匹配。

iex(12)> list = [1, 2, [3, 4, 5]]
[1, 2, [3, 4, 5]]
iex(13)> [a, b, c] = list
[1, 2, [3, 4, 5]]
iex(14)> a
1
iex(15)> b
2
iex(16)> c
[3, 4, 5]
iex(17)>

首先，有一个内嵌列表的列表。表达式list=[1, 2, [3, 4, 5]]将列表和变量list进行匹配，这里列表可以看成一个整体，匹配成功，然后进行变量绑定，将变量list绑定成一个列表。

[a, b, c] = list表达式左边的模式也是一个列表，右边也是一个列表（同一类型），并且左右两边的列表都是三个项目元素（同一结构）。匹配成功，然后进行变量绑定。

通过这个例子，可以清楚的知道，模式匹配的模式和表达式或数值的结构必须要相同。即同一数据类型，同一结构类型。

模式可以是数值和变量，也可以是变量和数值的混合结构

iex(17)> list = [1, 2, 3]
[1, 2, 3]
iex(18)> [a, 2, c] = list
[1, 2, 3]
iex(19)> a
1
iex(20)> c
3
iex(21)> 2
2
iex(22)>

例子中，右边的模式中的结构和右边一致 ，并且第二个元素都是2，匹配成功，剩下的a和c也可以匹配成功，进行变量绑定。

变量是可以重新绑定，但是在一次模式匹配中，变量只能绑定一次

iex(22)> [a, a] = [1, 1]
[1, 1]
iex(23)> [a, a] = [1, 2]
** (MatchError) no match of right hand side value: [1, 2]
iex(23)>

第二个表示中，含有两个a变量的列表在结构和数据类型都和左边相匹配，可是进行变量绑定的时候，a只能绑定一次，因此整个模式匹配过程失败。

想要重新绑定变量，只需要再进行一次模式匹配即可：

iex(23)> a = 1
1
iex(24)> [1, a] = [1, 2]
[1, 2]
iex(25)> a
2
iex(26)>

固定绑定

函数式本来追求的是不变，如果也想要变量绑定了之后不被重新绑定。可以使用脱字符^将变量固定。该符号很形象，就像钉子一样固定了变量。

iex(2)> a = 1
1
iex(3)> a = 2
2
iex(5)> ^a = 3
** (MatchError) no match of right hand side value: 3
iex(5)> a
2
iex(6)>

忽略绑定

变量可以重新绑定，也可以固定绑定，当然还可以忽略绑定。与其他语言例如python，swift类似。Elixir可以使用下划线_忽略变量的绑定。

iex(6)> [1, a] = [1, 2]
[1, 2]
iex(7)> a
2
iex(8)> [1, _] = [1, 2]
[1, 2]

_就像占位符一样，虽然它总是能匹配成功，例如可以匹配任何值，可是它并不会绑定任何值。这个功能就是可以在模式匹配中，忽略一些不需要绑定的变量。

总结

以上就是模式匹配的基础内容。需要重新理解=符号的含义，理解匹配这个过程。匹配的过程类似数学表达式的求值过程。

整个过程又和纯数学表达式求值有差别，因为模式只能放在左边，并左右的结构和类型都要一模一样。右边如果出现变量和表达式，则会先对右边的变量或表达式先求值。然后再和左边的模式进行匹配运算。

如果匹配成功，则对左边的模式（变量）进行变量绑定。一次模式匹配只能绑定一次变量。不同的模式匹配可以重新绑定变量。可以使用脱字符^不让变量重新绑定，亦可以使用_忽略绑定。

模式匹配介绍完毕，这个概念存在于很多函数式编程语言中。刚开始可能很不习惯，觉得和赋值没有差别。只要重新认识清楚数学上的等号的含义，就能慢慢的理解。当然实战才是根本，后面的将会使用到模式匹配，到时心中的疑问将会逐步解开。