C#のパターンマッチング：is、switchのパターン、プロパティパターン、リストパターン

パターンマッチングは値を形と照合します。「Circle か」「nullか」「Status が "paid" で Total が100を超えているか」といった具合です。判定が成功すると、パターンは値の一部を新しい変数に取り出すこともできます。C# 7で is 演算子から小さく始まり、それ以降のすべてのバージョンで拡張されてきたので、このページではそれぞれの形のバージョンを記しています。

isの型パターン（C# 7）

C# 7より前は、型を確認して使うのに2ステップが必要でした。as とnullチェック、または is とキャストです。型パターンは両方を一度に行い、型付きの変数を与えます。

using System;
using System.Collections.Generic;

class Payment { public decimal Amount; }
class CardPayment : Payment { public string Last4; }
class BankTransfer : Payment { public string Iban; }

class Program
{
    static string Describe(Payment p)
    {
        if (p is CardPayment card)
            return $"card ending {card.Last4}: {card.Amount}";
        if (p is BankTransfer bank)
            return $"transfer from {bank.Iban.Substring(0, 4)}...: {bank.Amount}";
        if (p == null)
            return "no payment";
        return $"other payment: {p.Amount}";
    }

    static void Main()
    {
        var payments = new List<Payment>
        {
            new CardPayment { Amount = 49.90m, Last4 = "4242" },
            new BankTransfer { Amount = 1200m, Iban = "PT50000201231234567890154" },
            null,
            new Payment { Amount = 5m },
        };

        foreach (var p in payments)
            Console.WriteLine(Describe(p));
    }
}

出力：

card ending 4242: 49.90
transfer from PT50...: 1200
no payment
other payment: 5

p is CardPayment card が真になるのは p がnullでない CardPayment（またはそこから派生したクラス）の場合だけで、そのとき card は正しい静的な型でそれを保持します。null値は決して型パターンに一致しないので、null の支払いはnullチェックまで進みます。

スコープと確実な代入

パターンの変数は外側のブロックに存在しますが、コンパイラがそれを読むことを許すのは、一致が成功したとわかっている場所だけです。そのため、早めに抜けて後から変数を使う「ガード節」の形が動きます。

using System;

class Program
{
    static decimal ParsePrice(object input)
    {
        if (!(input is string text))
            throw new ArgumentException("price must be text");

        // text is definitely assigned here: the only way past the if is a match.
        return decimal.Parse(text.Trim().TrimStart('$'), System.Globalization.CultureInfo.InvariantCulture);
    }

    static void Main()
    {
        Console.WriteLine(ParsePrice(" $19.99 "));

        object boxed = 42;
        if (boxed is int n && n > 40)
            Console.WriteLine($"{n} is over 40");

        try
        {
            ParsePrice(19.99m);
        }
        catch (ArgumentException e)
        {
            Console.WriteLine(e.Message);
        }
    }
}

出力：

19.99
42 is over 40
price must be text

boxed is int n && n > 40 は、もう1つのよくある形を示しています。&& の右辺は一致が成功したときにしか実行されないので、そこでは変数を使えます。|| の右辺では代入されていないので、コンパイラがそう指摘します（CS0165）。

パターンはボックス化の解除も行います。boxed is int n はボックス化された int に対して成功し、例外を投げうるキャストなしで値を与えます。null許容値型では、maybe is int n は maybe が値を持つときにちょうど成功します。

定数パターンとnullパターン

定数もパターンです。最もよく使われるのは x is null で、C# 7では x is 0、status is "paid"、enumのメンバーも使えます。

if (customer is null) return;          // null check that ignores any == overload
if (count is 0) Console.WriteLine("empty");
if (level is LogLevel.Error) Alert();

型の演算子のオーバーロードで結果が変わることがないので、多くのチームは == null より is null を好みます。C# 9では否定形の is not null が追加されました。

switch文のパターン（C# 7）

同じ型パターンを case のラベルにでき、when 句で条件を加えられます。caseは上から下へ試されるので、限定的なものから一般的なものの順に並べます。

static string Describe(object o)
{
    switch (o)
    {
        case null:                           return "nothing";
        case int n when n < 0:               return "negative number";
        case int n:                          return $"number {n}";
        case string s when s.Length == 0:    return "empty text";
        case string s:                       return $"text of {s.Length} chars";
        case IEnumerable<int> list:          return "a sequence of numbers";
        default:                             return o.GetType().Name;
    }
}

Describe(-4);                 // negative number
Describe("");                 // empty text
Describe(new List<int>());    // a sequence of numbers
Describe(2.5);                // Double

コンパイラは順序を確認します。前のcaseが網羅しているために決して一致しないcaseはエラーCS8120です。default は、どこに書かれていても常に最後に評価されます。上の支払いの例のように if/is の連鎖で同じ論理を書く方法は、C# 7以降のすべてのバージョンで動きます。

switch式（C# 8）

switch式は、「いくつかのケースから1つの値を計算する」ための簡潔な形です。値が先に来て、次に switch、そしてカンマで区切った pattern => result のアームが続き、_ がすべてを受け止めます。

public abstract record Shape;
public record Circle(double Radius) : Shape;
public record Rectangle(double Width, double Height) : Shape;

static double Area(Shape shape) => shape switch
{
    Circle c => Math.PI * c.Radius * c.Radius,
    Rectangle { Width: var w, Height: var h } => w * h,
    _ => throw new ArgumentException("Unknown shape", nameof(shape)),
};

Area(new Rectangle(3, 4));   // 12

実行時にどのアームも一致しないと SwitchExpressionException が投げられ、処理されない入力があるとコンパイラが判断できれば警告（CS8509）を出します。構文そのものはswitch式のページで扱います。このページの残りは、アームに書けるパターンについてです。

プロパティパターン（C# 8、C# 10で拡張）

プロパティパターンは、オブジェクトのプロパティを、波かっこの中の入れ子のパターンと照合します。オブジェクトはnullでない必要もあるので、{ } だけなら「nullでない」を意味します。

public record Address(string City, string Country);
public record Order(decimal Total, string Status, Address ShipTo, int Items);

static string Shipping(Order order) => order switch
{
    { Status: "cancelled" }                   => "no shipment",
    { ShipTo.Country: "PT", Total: >= 50m }   => "free, domestic",     // C# 10 dotted form
    { ShipTo.Country: "PT" }                  => "4.90, domestic",
    { Total: > 200m }                         => "free, international",
    _                                         => "12.00, international",
};

Shipping(new Order(60m, "paid", new Address("Porto", "PT"), 2));    // free, domestic
Shipping(new Order(260m, "paid", new Address("Lyon", "FR"), 2));    // free, international

C# 8と9では入れ子の形が必要です：{ ShipTo: { Country: "PT" } }。C# 10では、上で使っているドットの省略形が許されます。プロパティパターンは is でも使えるので、複数の条件の確認が説明文のように読めます：if (order is { Status: "paid", Items: > 0 })。

関係パターンと論理パターン（C# 9）

C# 9では比較（<、<=、>、>=）と組み合わせ子の and、or、not が追加され、範囲をパターンにできるようになりました。

static string Grade(int score) => score switch
{
    < 0 or > 100      => "invalid",
    >= 90             => "A",
    >= 75 and < 90    => "B",
    >= 50             => "C",
    _                 => "F",
};

Grade(82);    // B
Grade(101);   // invalid

if (input is not null and not "") { ... }
if (c is >= 'a' and <= 'z' or >= 'A' and <= 'Z') { ... }   // and binds tighter than or

C# 7での同等のものは、if/else if の連鎖か、when 句を使う switch（case int s when s >= 90:）です。

タプルパターンと位置指定のパターン（C# 8）

複数の値で一度に分岐するには、タプルでswitchします。

static string Quadrant(int x, int y) => (x, y) switch
{
    (0, 0)       => "origin",
    (> 0, > 0)   => "I",
    (< 0, > 0)   => "II",
    (< 0, < 0)   => "III",
    (> 0, < 0)   => "IV",
    _            => "on an axis",
};

Quadrant(-2, 5);   // II

位置指定のパターンは、レコードを含め、Deconstruct メソッドを持つ任意の型に対して同じことを行います：case Point(0, 0): や p is Rectangle(var w, var h) && w == h です。

リストパターン（C# 11）

リストパターンは、配列やリストをその要素で照合します。.. は任意の数の要素（「スライス」）に一致し、各要素の位置には他の任意のパターンを書けます。

static string Route(string[] args) => args switch
{
    []                         => "help",
    ["add", var item]          => $"add {item}",
    ["remove", var item, ..]   => $"remove {item}",
    [var cmd, ..]              => $"unknown command {cmd}",
};

Route(new[] { "add", "milk" });             // add milk
Route(new[] { "remove", "milk", "now" });   // remove milk

int[] nums = { 1, 2, 3, 4 };
if (nums is [1, .., var last]) Console.WriteLine(last);   // 4

どのバージョンで何が追加されたか

よくある間違い

• caseを一般的なものから限定的なものの順に並べる。 case CardPayment c: の前に case Payment p: を置くと、後者が到達できなくなります（CS8120）。限定的なものを先にします。
• 型パターンがnullに一致すると思う。 null is string s はfalseです。null は独自のcaseか is null で扱います。
• 一致が失敗したかもしれない場所でパターンの変数を読む。 a is int n || ... の後では、n は代入されていません（CS0165）。
• 仮想メソッドの代わりに長い型のswitchを使う。 新しいサブクラスのたびに5か所の同じswitchを編集するなら、その振る舞いはクラスの階層に属します。パターンが真価を発揮するのは、外部からのデータ（JSONの形、メッセージ、入力のタプル）と、自分が管理する閉じた型の集合です。
• switch式ですべてを受け止めるアームを忘れる。 一致しない入力は実行時に例外を投げます。警告CS8509を読みます。