Python 为什么不支持 switch 语句?

在Python教程栏目这篇文章里,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

在Python教程栏目这篇文章里,我们会聊一聊为什么 Python 决定不支持 switch 语句。

Python 为什么不支持 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……

Python 为什么不支持 switch 语句?

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}复制代码

使用流程图来表示,大概是这样的:

Python 为什么不支持 switch 语句?

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?

Python 为什么不支持 switch 语句?

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:mp.weixin.qq.com/s/zabIvt4df…

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:

Python 为什么不支持 switch 语句?

出处: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。

Python 为什么不支持 switch 语句?

出处:www.python.org/dev/peps/pe…

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复制代码

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复制代码

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复制代码

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, ...):复制代码

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)。

Python 为什么不支持 switch 语句?

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)复制代码

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!

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