Python 為什麼不支援 switch 語句？

為什麼想要聊這個話題呢？

主要是因為 switch 在其它語言中太常見了，而 Python 卻不支援，這樣的獨特性本身就值得關注，而回答這個問題，也能更加看清 Python 在程式設計上的理念，瞭解 Python 在語法設計中的決策過程。

本文除了會詳細分析 PEP-275 和 PEP-3103，還會介紹到 Python 最新的發展動態（PEP-622），即可能要引入的模式匹配（pattern matching）語法，相信這個話題會開闊大家的眼界，從而對 switch 語法有更為全面的認識。

1、switch 是什麼？

在開始正題之前，我們需要先聊聊 switch 是什麼？

有些同學可能會第一時間想到它……

喂~喂~，麻煩收收心，別總想著遊戲啦，我們要說的是程式語言中的 switch 語句。

一般而言，switch 的語法格式如下：

switch(expression){    case value1:       // 語句
       break; // 可選
    case value2:       // 語句
       break; // 可選
    default: // 可選
       // 語句}複製程式碼

使用流程圖來表示，大概是這樣的：

它的用法不難理解：switch 語句的值滿足哪一個 case 情況，就會執行對應的程式碼塊，執行時遇到 break 就跳出，否則就繼續執行下一個 case 分支；一般會在最後放一個 default 分支，作為兜底。

大多數語言都提供了 switch 語句或者極其相似的東西，例如，在 C/C++/Java /Go 等靜態語言中，它們都支援 switch-case 結構；在 Ruby 中有類似的 case-when 結構，在 Shell 語言中，有相似的 case-in 結構，在 Perl 中，有 switch-case-else……

switch 語句的好處是支援「單條件多分支」的選擇結構，相比 if-else 的二分選擇結構，在某些時候會更為簡潔清晰。

但是，在 Python 中，我們看不到 switch-case 或者相近的語法結構，這是為什麼呢？

2、Python 為什麼不支援 switch?

官方檔案中有一篇 FAQ 包含了這個問題：Why isn’t there a switch or case statement in Python?

FAQ 即 Frequently Asked Questions 的縮寫，表示常見問題，官方列了 27 個常見問題，完整清單在此：mp.weixin.qq.com/s/zabIvt4df…

該檔案給出了幾個建議，告訴了我們幾個 switch/case 的替代方案：

• 使用 if-elif-else 條件判斷語句
• 使用字典，將 case 值與呼叫的函數對映起來
• 使用內建 getattr() 檢索特定的物件呼叫方法

曾有人提出過一些提案（即 PEP-275 和 PEP-3103），想給 Python 引入 switch 語法，然而，對於「是否以及如何進行靶場測試」，大家沒有達成一致的共識。

靶場測試，即 range test，指的是對武器彈藥的技術效能作各種測試驗證，與藥物的臨床試驗一樣，都是在最終產品交付前的一項關鍵性測試。

官方檔案對於「為什麼 Python 不引入 switch」的解釋，實際上來源於 Python 之父 Guido van Rossum 在 PEP-3103 中的意見：

出處：www.python.org/dev/peps/pe…

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快速的民意調查，結果表明這個提案沒有得到廣泛的支援。因此，我拒絕了它。

簡而言之，PEP 提案有了，語法實現也有了雛形，但是核心開發者們似乎沒有達成一致意見，最終導致提案流產了。

3、PEP-275 與 PEP-3103 說了什麼？

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 語句的某種必要性、分析了好幾種備選的實現方案，然而，結局是都被拒絕了。

出處：www.python.org/dev/peps/pe…

那麼，我們就先來回顧一下核心開發者們都做出了哪些討論，看一看如果 Python 要實現 switch 結構，會是怎麼樣子的？（PS：PEP 裡還涉及其它內容，本文只摘取與 switch 直接相關的部分）

PEP-275 提出的語法結構如下：

switch EXPR:
    case CONSTANT:
        SUITE
    case CONSTANT:
        SUITE
    ...    else:
        SUITE複製程式碼

其中 else 分支是可選的，如果沒有它，並且前面的分支都不滿足的話，就什麼也不做。另外 case 值 constant 支援不同型別，因為 expr 表示式的型別是動態的。

PEP-275 還提出讓 switch 不支援掉落（fall-through）行為，即每個 case 分支相互獨立而完整，不用像 C 語言那樣需要寫 break。

該 PEP 還列舉了一些其它的 issue：

• 重用現有關鍵字，不引入「switch」和「case」
• 使用新的關鍵字，避免與 C 的 switch 概念混淆
• 支援單分支多值選擇（例如：case 'a', 'b', 'c': ...）
• 還有建議支援範圍取值判斷（例如：case 10..14: ...）

除了首選方案，該 PEP 還記錄了幾種風格各異的語法方案：

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複製程式碼

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

那麼，我們再來看看由 Guido 編寫的 PEP-3103 說了些什麼吧。

它首先認可了 PEP-275 中的兩個基礎設定，例如，實現「隱式的 break」，不讓 case 分支出現 fall-through 這種轉移控制權的情況（其它語言似乎都要求顯式地寫 break）；else 分支是可選的，複用 else 關鍵字，而不用引入「default」。

對於 PEP-275 提倡的那種風格，Guido 比較認可，但也認為它的問題是縮排層次太多，因此建議減少程式碼分支縮排的空格數，例如本來縮排 4 空格，改為縮排 2 空格。

PEP-3103 還列舉了另外三種實現方案，分析了它們的差異以及問題，具體內容從略，這裡只給大家看看它們的風格：

# case 分支不縮排switch EXPR:
case EXPR:
    SUITE
case EXPR:
    SUITE
....else:
    SUITE# switch 語句後不加冒號switch EXPR
case EXPR:
    SUITE
case EXPR:
    SUITE
....else:
    SUITE# 省略 case 關鍵字switch EXPR:
    EXPR:
        SUITE
    EXPR:
        SUITE
    ...    else:
        SUITE複製程式碼

在基礎語法之外，Guido 花了很多篇幅來討論擴充套件語法（Extended Syntax），即在一個 case 分支中實現匹配多個值的複雜情況：

case EXPR, EXPR, ...:# Guido 優選的case in EXPR_LIST:

case *EXPR:

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

case *(EXPR, EXPR, ...):複製程式碼

他重點考慮到的問題包括：switch 中表示式的結果是元組或可迭代物件的情況、case 的值被看成元組解包的情況、在 case 分支作「*」星號操作……

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

• 使用等價的 if-elif 鏈來定義 switch 語句（可能會做些優化）
• 同上，另外所有表示式都必須是可雜湊的（hashable）
• 看作是預先計算的字典的分派（dispatch）

PEP 中這部分的內容非常多，因為在每個思路上，Guido 還考慮到了好幾種實現路徑，這導致了他在複雜分析後的結論是：It is too early to decide（ 現在做決定為時尚早）。

閱讀完 PEP-3103 後，我總體的感覺是：Guido 的思路非常發散、層次豐富，但是，缺少了他在面對其它問題時那「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獨裁的決定。阻力主要來自於他自己，而不是其他人。

不過，之所以會出現這種情況，也許跟他的預設立場有關：他似乎認為「Python is fine without a switch statement」，因此儘管寫了很長的 PEP，但只是在把問題複雜化，把議題擱置起來。

最後，他在 PyCon 上做了一個小範圍調查，藉此「名正言順」地拒絕了自己發起的 PEP，試圖堵住眾人的悠悠之口……

4、未來會有 switch 語句麼？

歸結起來，之所以 Python 沒有 switch 語句，原因有：switch 的實現細節/功能點未經敲定、沒有 switch 也挺好的、有其它不錯的方法替代 switch、Guido 的小任性……

但是，我們還是要追問一句：未來會有 switch 語句麼？或者類似的多分支選擇結構？

為什麼要有此一問呢？原因是有太多語言自帶 switch 語句，而且也有很多人嘗試編寫提供 switch 功能的庫（我記得在 PyCoder's Weekly 裡曾見到過兩次）。

我（Python貓）本人自始至終並不喜歡 switch，幾乎可以肯定地說，Python 未來也不會有 switch，但是，它很可能會引入一個類似於 switch 且更為複雜的語法結構！

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

截至 2020 年 10 月，該 PEP 已被分解成另外三個 PEP（634-636），目前都處於草案階段。考慮到核心開發者們的參與情況以及話題討論的情況，這些提案極有可能會在未來版本（比如正在開發中的 3.10）中實現。

以一個求平均數的函數為例，模式匹配語法可以實現成這樣：

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)複製程式碼

match-case 結構神似於 switch-case 結構，然而它基於模式（pattern）而非表示式（expression），因此有更多待考慮的細節問題，也有更為廣闊的應用空間。

對此話題感興趣的讀者，建議去查閱這幾個新的 PEP。

最後，讓我們回到標題中的問題：Python 為什麼不支援 switch 語句？

官方檔案的 FAQ 對此問題有一個解答，告訴我們有幾個不錯的替代寫法，同時也留下了一條線索：曾有 PEP 提議引入 switch，只是沒有成功實現。

沿著這條線索，本文拆解了 PEP-275 和 PEP-3103 這兩篇檔案，帶大家看到了 Python 社群裡提出過的風格各異的 switch 方案，以及諸多的懸而未決的問題。

最後，我們還關注到了最新的 PEP-622 的動態，看起來 switch 的「孿生兄弟」 match 語法有望引入到 Python 中！switch 話題的討論似乎要終止了，但是另一個更大的話題正在進行中！

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