Python 为什么不支持 switch 语句?

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在这篇文章里,我们会聊一聊为什么 Python 决定不支持 switch 语句。

为什么想要聊这个话题呢?

主要是因为 switch 在其它语言中太常见了,而 Python 却不支持,这样的独特性本身就值得关注,而回答这个问题,也能更加看清 Python 在程序设计上的理念,了解 Python 在语法设计中的决策过程。

本文除了会详细分析 PEP-275 和 PEP-3103,还会介绍到 Python 最新的发展动态(PEP-622),即可能要引入的模式匹配(pattern matching)语法,相信这个话题会开阔大家的眼界,从而对 switch 语法有更为全面的认识。

1、switch 是什么?

在开始正题之前,我们需要先聊聊 switch 是什么?

有些同学可能会第一时间想到它……

喂~喂~,麻烦收收心,别总想着游戏啦,我们要说的是编程语言中的 switch 语句。

一般而言,switch 的语法格式如下:

switch(expression){
    case value1:
       // 语句
       break; // 可选
    case value2:
       // 语句
       break; // 可选
    default: // 可选
       // 语句
}

使用流程图来表示,大概是这样的:

它的用法不难理解:switch 语句的值满足哪一个 case 情况,就会执行对应的代码块,执行时遇到 break 就跳出,否则就继续执行下一个 case 分支;一般会在最后放一个 default 分支,作为兜底。

大多数语言都提供了 switch 语句或者极其相似的东西,例如,在 C/C++/Java /Go 等静态语言中,它们都支持 switch-case 结构;在 Ruby 中有类似的 case-when 结构,在 Shell 语言中,有相似的 case-in 结构,在 Perl 中,有 switch-case-else……

switch 语句的好处是支持“单条件多分支”的选择结构,相比 if-else 的二分选择结构,在某些时候会更为简洁清晰。

但是,在 Python 中,我们看不到 switch-case 或者相近的语法结构,这是为什么呢?

2、Python 为什么不支持 switch?

官方文档中有一篇 FAQ 包含了这个问题:Why isn’t there a switch or case statement in Python?

FAQ 即 Frequently Asked Questions 的缩写,表示常见问题,官方列了 27 个常见问题,完整清单在此: https://mp.weixin.qq.com/s/zabIvt4dfu_rf7SmGZXqXg

该文档给出了几个建议,告诉了我们几个 switch/case 的替代方案:

  • 使用 if-elif-else 条件判断语句
  • 使用字典,将 case 值与调用的函数映射起来
  • 使用内置 getattr() 检索特定的对象调用方法

曾有人提出过一些提案(即 PEP-275 和 PEP-3103),想给 Python 引入 switch 语法,然而,对于“是否以及如何进行靶场测试”,大家没有达成一致的共识。

靶场测试,即 range test,指的是对武器弹药的技术性能作各种测试验证,与药物的临床试验一样,都是在最终产品交付前的一项关键性测试。

官方文档对于“为什么 Python 不引入 switch”的解释,实际上来源于 Python 之父 Guido van Rossum 在 PEP-3103 中的意见:

出处:https://www.python.org/dev/peps/pep-3103/

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 的主题演讲中做了一个快速的民意调查,结果表明这个提案没有得到广泛的支持。因此,我拒绝了它。

简而言之,PEP 提案有了,语法实现也有了雏形,但是核心开发者们似乎没有达成一致意见,最终导致提案流产了。

3、PEP-275 与 PEP-3103 说了什么?

PEP-3103 是在 2006 年提出的,PEP-275 则是在 2001 年提出的,它们的共同之处是提出了引入 switch 语句的某种必要性、分析了好几种备选的实现方案,然而,结局是都被拒绝了。

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

那么,我们就先来回顾一下核心开发者们都做出了哪些讨论,看一看如果 Python 要实现 switch 结构,会是怎么样子的?(PS:PEP 里还涉及其它内容,本文只摘取与 switch 直接相关的部分)

PEP-275 提出的语法结构如下:

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

其中 else 分支是可选的,如果没有它,并且前面的分支都不满足的话,就什么也不做。另外 case 值 constant 支持不同类型,因为 expr 表达式的类型是动态的。

PEP-275 还提出让 switch 不支持掉落(fall-through)行为,即每个 case 分支相互独立而完整,不用像 C 语言那样需要写 break。

该 PEP 还列举了一些其它的 issue:

  • 重用现有关键字,不引入“switch”和“case”
  • 使用新的关键字,避免与 C 的 switch 概念混淆
  • 支持单分支多值选择(例如:case 'a', 'b', 'c': ...)
  • 还有建议支持范围取值判断(例如:case 10..14: ...)

除了首选方案,该 PEP 还记录了几种风格各异的语法方案:

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 记录下了不少重要的思路和问题,为 PEP-3103 的出现做了很好的铺垫。

那么,我们再来看看由 Guido 编写的 PEP-3103 说了些什么吧。

它首先认可了 PEP-275 中的两个基础设定,例如,实现“隐式的 break”,不让 case 分支出现 fall-through 这种转移控制权的情况(其它语言似乎都要求显式地写 break);else 分支是可选的,复用 else 关键字,而不用引入“default”。

对于 PEP-275 提倡的那种风格,Guido 比较认可,但也认为它的问题是缩进层次太多,因此建议减少代码分支缩进的空格数,例如本来缩进 4 空格,改为缩进 2 空格。

PEP-3103 还列举了另外三种实现方案,分析了它们的差异以及问题,具体内容从略,这里只给大家看看它们的风格:

# case 分支不缩进
switch EXPR:
case EXPR:
    SUITE
case EXPR:
    SUITE
....
else:
    SUITE

# switch 语句后不加冒号
switch EXPR
case EXPR:
    SUITE
case EXPR:
    SUITE
....
else:
    SUITE

# 省略 case 关键字
switch EXPR:
    EXPR:
        SUITE
    EXPR:
        SUITE
    ...
    else:
        SUITE

在基础语法之外,Guido 花了很多篇幅来讨论扩展语法(Extended Syntax),即在一个 case 分支中实现匹配多个值的复杂情况:

case EXPR, EXPR, ...:

# Guido 优选的
case in EXPR_LIST:

case *EXPR:

case [*]EXPR, [*]EXPR, ...:

case *(EXPR, EXPR, ...):

他重点考虑到的问题包括:switch 中表达式的结果是元组或可迭代对象的情况、case 的值被看成元组解包的情况、在 case 分支作“*”星号操作……

接着,Guido 又用了非常非常多的篇幅来分析该如何实现 switch,其中讨论到的主要思路有:

  • 使用等价的 if-elif 链来定义 switch 语句(可能会做些优化)
  • 同上,另外所有表达式都必须是可哈希的(hashable)
  • 看作是预先计算的字典的分派(dispatch)

PEP 中这部分的内容非常多,因为在每个思路上,Guido 还考虑到了好几种实现路径,这导致了他在复杂分析后的结论是:It is too early to decide( 现在做决定为时尚早)。

阅读完 PEP-3103 后,我总体的感觉是:Guido 的思路非常发散、层次丰富,但是,缺少了他在面对其它问题时那“快刀斩乱麻”式的洞察力。

也就是说,在诸多的可能性方案中,他力求面面俱到,最终无法说服自己做出一个独裁的决定。阻力主要来自于他自己,而不是其他人。

不过,之所以会出现这种情况,也许跟他的预设立场有关:他似乎认为“Python is fine without a switch statement”,因此尽管写了很长的 PEP,但只是在把问题复杂化,把议题搁置起来。

最后,他在 PyCon 上做了一个小范围调查,借此“名正言顺”地拒绝了自己发起的 PEP,试图堵住众人的悠悠之口……

4、未来会有 switch 语句么?

归结起来,之所以 Python 没有 switch 语句,原因有:switch 的实现细节/功能点未经敲定、没有 switch 也挺好的、有其它不错的方法替代 switch、Guido 的小任性……

但是,我们还是要追问一句:未来会有 switch 语句么?或者类似的多分支选择结构?

为什么要有此一问呢?原因是有太多语言自带 switch 语句,而且也有很多人尝试编写提供 switch 功能的库(我记得在 PyCoder's Weekly 里曾见到过两次)。

我(Python猫)本人自始至终并不喜欢 switch,几乎可以肯定地说,Python 未来也不会有 switch,但是,它很可能会引入一个类似于 switch 且更为复杂的语法结构!

2020 年 6 月,PEP-622 被提出了,它建议引入在 Scala、Erlang 和 Rust 等语言中的模式匹配语法(pattern matching)。

截至 2020 年 10 月,该 PEP 已被分解成另外三个 PEP(634-636),目前都处于草案阶段。考虑到核心开发者们的参与情况以及话题讨论的情况,这些提案极有可能会在未来版本(比如正在开发中的 3.10)中实现。

以一个求平均数的函数为例,模式匹配语法可以实现成这样:

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 结构神似于 switch-case 结构,然而它基于模式(pattern)而非表达式(expression),因此有更多待考虑的细节问题,也有更为广阔的应用空间。

对此话题感兴趣的读者,建议去查阅这几个新的 PEP。

最后,让我们回到标题中的问题:Python 为什么不支持 switch 语句?

官方文档的 FAQ 对此问题有一个解答,告诉我们有几个不错的替代写法,同时也留下了一条线索:曾有 PEP 提议引入 switch,只是没有成功实现。

沿着这条线索,本文拆解了 PEP-275 和 PEP-3103 这两篇文档,带大家看到了 Python 社区里提出过的风格各异的 switch 方案,以及诸多的悬而未决的问题。

最后,我们还关注到了最新的 PEP-622 的动态,看起来 switch 的“孪生兄弟” match 语法有望引入到 Python 中!switch 话题的讨论似乎要终止了,但是另一个更大的话题正在进行中!

本文属于“Python为什么”系列(Python猫出品),该系列主要关注 Python 的语法、设计和发展等话题,以一个个“为什么”式的问题为切入点,试着展现 Python 的迷人魅力。所有文章将会归档在 Github 上,欢迎大家给颗小星星,项目地址:https://github.com/chinesehua...

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