Python 為什么不支持 switch 語句？

在這篇文章里，我們會聊一聊為什么 Python 決定不支持 switch 語句。

為什么想要聊這個話題呢？

主要是因為 switch 在其它語言中太常見了，而 Python 卻不支持，這樣的獨特性本身就值得關(guān)注，而回答這個問題，也能更加看清 Python 在程序設(shè)計上的理念，了解 Python 在語法設(shè)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(fā)展動態(tài)（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(rèn)識。

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)可能會第一時間想到它……

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
}

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(zhí)行對應(yīng)的代碼塊，執(zhí)行時遇到 break 就跳出，否則就繼續(xù)執(zhí)行下一個 case 分支；一般會在最后放一個 default 分支，作為兜底。

大多數(shù)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(tài)語言中，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 語言中，有相似的 case-in 結(jié)構(gòu)，在 Perl 中，有 switch-case-else……

switch 語句的好處是支持“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(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：https://mp.weixin.qq.com/s/zabIvt4dfu_rf7SmGZXqXg

該文檔給出了幾個建議，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 值與調(diào)用的函數(shù)映射起來

• 使用內(nèi)置 getattr() 檢索特定的對象調(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 語法，然而，對于“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(shù)性能作各種測試驗證，與藥物的臨床試驗一樣，都是在最終產(chǎn)品交付前的一項關(guān)鍵性測試。

官方文檔對于“為什么 Python 不引入 switch”的解釋，實際上來源于 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快速的民意調(diào)查，結(jié)果表明這個提案沒有得到廣泛的支持。因此，我拒絕了它。

簡而言之，PEP 提案有了，語法實現(xiàn)也有了雛形，但是核心開發(fā)者們似乎沒有達成一致意見，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 語句的某種必要性、分析了好幾種備選的實現(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 要實現(xiàn) switch 結(jié)構(gòu)，會是怎么樣子的？（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，因為 expr 表達式的類型是動態(tài)的。

PEP-275 還提出讓 switch 不支持掉落（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(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，我們再來看看由 Guido 編寫的 PEP-3103 說了些什么吧。

它首先認(rèn)可了 PEP-275 中的兩個基礎(chǔ)設(shè)定，例如，實現(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)為它的問題是縮進層次太多，因此建議減少代碼分支縮進的空格數(shù)，例如本來縮進 4 空格，改為縮進 2 空格。

PEP-3103 還列舉了另外三種實現(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
switch?EXPR:
case?EXPR:
????SUITE
case?EXPR:
????SUITE
....
else:
????SUITE

#?switch?語句后不加冒號
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)語法之外，Guido 花了很多篇幅來討論擴展語法（Extended Syntax），即在一個 case 分支中實現(xiàn)匹配多個值的復(fù)雜情況：

case?EXPR,?EXPR,?...:

#?Guido?優(yōu)選的
case?in?EXPR_LIST:

case?*EXPR:

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

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

他重點考慮到的問題包括：switch 中表達式的結(jié)果是元組或可迭代對象的情況、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(xiàn) 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(yōu)化）

• 同上，另外所有表達式都必須是可哈希的（hashable）

• 看作是預(yù)先計算的字典的分派（dispatch）

PEP 中這部分的內(nèi)容非常多，因為在每個思路上，Guido 還考慮到了好幾種實現(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。阻力主要來自于他自己，而不是其他人。

不過，之所以會出現(xiàn)這種情況，也許跟他的預(yù)設(shè)立場有關(guān)：他似乎認(rèn)為“Python is fine without a switch statement”，因此盡管寫了很長的 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、未來會有 switch 語句么？

歸結(jié)起來，之所以 Python 沒有 switch 語句，原因有：switch 的實現(xiàn)細節(jié)/功能點未經(jīng)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 里曾見到過兩次）。

我（Python貓）本人自始至終并不喜歡 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于 switch 且更為復(fù)雜的語法結(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），目前都處于草案階段。考慮到核心開發(fā)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(fā)中的 3.10）中實現(xiàn)。

以一個求平均數(shù)的函數(shù)為例，模式匹配語法可以實現(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）而非表達式（expression），因此有更多待考慮的細節(jié)問題，也有更為廣闊的應(yīng)用空間。

對此話題感興趣的讀者，建議去查閱這幾個新的 PEP。

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

官方文檔的 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(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 的動態(tài)，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！