Die Programmiersprache Rust

Das Kontrollflusskonstrukt match

Rust verfügt über ein extrem leistungsfähiges Kontrollflusskonstrukt namens match, der es dir ermöglicht, einen Wert mit einer Reihe von Mustern abzugleichen und dann Code zum jeweils passenden Muster auszuführen. Muster können sich aus Literalen, Variablennamen, Platzhaltern und vielen anderen Dingen zusammensetzen. Kapitel 18 befasst sich mit all den verschiedenen Musterarten und wie sie funktionieren. Die Mächtigkeit von match kommt von der Ausdruckskraft der Muster und der Tatsache, dass der Compiler sicherstellt, dass alle möglichen Fälle behandelt werden.

Stelle dir einen match-Ausdruck wie eine Münzsortiermaschine vor: Die Münzen rutschen eine Bahn mit unterschiedlich großen Löchern entlang, und jede Münze fällt durch das erste Loch, in das sie hineinpasst. Auf die gleiche Weise durchlaufen die Werte die Muster in einem match-Ausdruck und beim ersten „passenden“ Muster fällt der Wert in den zugehörigen Codeblock, der ausgeführt werden soll.

Apropos Münzen, nehmen wir sie als Beispiel für die Verwendung von match! Wir können eine Funktion schreiben, die eine unbekannte US-Münze nimmt und, ähnlich wie die Zählmaschine, bestimmt, um welche Münze es sich handelt und ihren Wert in Cent zurückgibt, wie in Codeblock 6-3 gezeigt.

#![allow(unused)]
fn main() {
enum Coin {
    Penny,
    Nickel,
    Dime,
    Quarter,
}

fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
    match coin {
        Coin::Penny => 1,
        Coin::Nickel => 5,
        Coin::Dime => 10,
        Coin::Quarter => 25,
    }
}
}

Codeblock 6-3: Eine Aufzählung und ein match-Ausdruck, der die Varianten der Aufzählung als Muster hat

Lass uns den match-Ausdruck in der Funktion value_in_cents aufschlüsseln. Zuerst geben wir das Schlüsselwort match an, gefolgt von einem Ausdruck, der in diesem Fall der Wert coin ist. Dies scheint einem bedingten Ausdruck sehr ähnlich zu sein, der bei if verwendet wird, aber es gibt einen großen Unterschied: Bei if muss die Bedingung einen booleschen Wert ergeben, aber hier kann ein beliebiger Typ zurückgegeben werden. Der Typ von coin ist in diesem Beispiel die Aufzählung Coin, die wir in der ersten Zeile definiert haben.

Als nächstes kommen die match-Zweige. Ein Zweig hat zwei Teile: Ein Muster und etwas Code. Der erste Zweig hat als Muster den Wert Coin::Penny, dann den Operator =>, der das Muster und den auszuführenden Code trennt. Der Code ist in diesem Fall nur der Wert 1. Jeder Zweig wird durch ein Komma vom nächsten getrennt.

Wenn der match-Ausdruck ausgeführt wird, gleicht er den Ergebniswert mit dem Muster jedes Zweigs ab, und zwar der Reihe nach. Wenn ein Muster zum Wert passt, wird der zu diesem Muster gehörende Code ausgeführt. Wenn das Muster nicht zum Wert passt, wird die Ausführung beim nächsten Zweig fortgesetzt, ähnlich wie bei einer Münzsortiermaschine. Wir können so viele Zweige haben, wie wir brauchen: In Codeblock 6-3 hat unser match-Ausdruck vier Zweige.

Der zu jedem Zweig gehörende Code ist ein Ausdruck, und der Ergebniswert des Ausdrucks im zugehörenden Zweig ist der Wert, der für den gesamten match-Ausdruck zurückgegeben wird.

Wir verwenden üblicherweise keine geschweiften Klammern, wenn der Zweig-Code kurz ist, so wie in Codeblock 6-3, wo jeder Zweig nur einen Wert zurückgibt. Wenn du mehrere Codezeilen in einem Zweig ausführen möchtest, musst du geschweifte Klammern verwenden, und das Komma nach dem Zweig ist dann optional. Zum Beispiel gibt der folgende Code jedes Mal „Glückspfennig!“ aus, wenn die Methode mit Coin::Penny aufgerufen wird, er gibt aber immer noch den letzten Wert 1 des Blocks zurück:

#![allow(unused)]
fn main() {
enum Coin {
    Penny,
    Nickel,
    Dime,
    Quarter,
}

fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
    match coin {
        Coin::Penny => {
            println!("Glückspfennig!");
            1
        }
        Coin::Nickel => 5,
        Coin::Dime => 10,
        Coin::Quarter => 25,
    }
}
}

Muster, die Werte binden

Ein weitere nützliche Funktionalität von match-Zweigen ist, dass sie Teile der Werte binden können, die dem Muster entsprechen. Auf diese Weise können wir Werte aus Aufzählungsvarianten extrahieren.

Lass uns als Beispiel eine unserer Aufzählungsvarianten so ändern, dass sie Daten enthält. Von 1999 bis 2008 prägten die Vereinigten Staaten 25-Cent-Münzen mit unterschiedlichem Aussehen auf einer Seite für jeden der 50 Staaten. Keine andere Münze hatte ein Staaten-spezifisches Aussehen, sodass nur 25-Cent-Münzen diese zusätzliche Eigenschaft haben. Wir können diese Information in unserer Aufzählung unterbringen, indem wir die Variante Quarter so ändern, dass sie einen UsState-Wert enthält, wie in Codeblock 6-4 umgesetzt.

#![allow(unused)]
fn main() {
enum UsState {
    Alabama,
    Alaska,
    // --abschneiden--
}

enum Coin {
    Penny,
    Nickel,
    Dime,
    Quarter(UsState),
}
}

Codeblock 6-4: Aufzählung Coin, bei der die Variante Quarter zusätzlich einen UsState-Wert enthält

Stellen wir uns vor, dass ein Freund versucht, 25-Cent-Münzen aller 50 Staaten zu sammeln. Während wir unser Kleingeld nach Münzsorten sortieren, geben wir auch den Namen des Staates der 25-Cent-Münze aus, sodass es unser Freund in seine Sammlung aufnehmen kann, falls er es nicht hat. Im match-Ausdruck für diesen Code fügen wir zum Muster der Variante Coin::Quarter eine Variable state hinzu. Wenn der Zweig für Coin::Quarter passt, wird die Variable state an den Wert der Eigenschaft der 25-Cent-Münze gebunden. Dann können wir state im Code für diesen Zweig etwa so verwenden:

#[derive(Debug)] // um den Staat mit println! ausgeben zu können
enum UsState {
    Alabama,
    Alaska,
    // --abschneiden--
}

enum Coin {
    Penny,
    Nickel,
    Dime,
    Quarter(UsState),
}

fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
    match coin {
        Coin::Penny => 1,
        Coin::Nickel => 5,
        Coin::Dime => 10,
        Coin::Quarter(state) => {
            println!("25-Cent-Münze aus {:?}!", state);
            25
        }
    }
}

fn main() {
    value_in_cents(Coin::Quarter(UsState::Alaska));
}

Wenn wir value_in_cents(Coin::Quarter(UsState::Alaska)) aufrufen würden, hätte coin den Wert Coin::Quarter(UsState::Alaska). Gleichen wir den Wert mit jedem der match-Zweige ab, passt keiner von ihnen, bis wir Coin::Quarter(state) erreichen. An diesem Punkt wird state an den Wert UsState::Alaska gebunden. Wir können dann diese Bindung im println!-Ausdruck verwenden und so den inneren Zustandswert aus der Coin-Aufzählungsvariante für Quarter herausholen.

Abgleich mit Option<T>

Im vorigen Abschnitt wollten wir den inneren T-Wert aus dem Fall Some herausholen, als wir Option<T> verwendet haben. Wir können Option<T> ebenso mit match handhaben, wie wir es mit der Aufzählung Coin getan haben! Statt Münzen zu vergleichen, werden wir die Varianten von Option<T> vergleichen, aber die Art und Weise, wie der match-Ausdruck funktioniert, bleibt die gleiche.

Nehmen wir an, wir wollen eine Funktion schreiben, die eine Option<i32> nimmt und, falls ein Wert darin enthalten ist, zu diesem Wert 1 addiert. Wenn darin kein Wert enthalten ist, soll die Funktion den Wert None zurückgeben und nicht versuchen, irgendwelche Operationen durchzuführen.

Diese Funktion ist dank match sehr einfach zu schreiben und wird wie in Codeblock 6-5 aussehen.

#![allow(unused)]
fn main() {
fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
    match x {
        None => None,
        Some(i) => Some(i + 1),
    }
}

let five = Some(5);
let six = plus_one(five);
let none = plus_one(None);
}

Codeblock 6-5: Eine Funktion, die einen match-Ausdruck auf einer Option<i32> verwendet

Lass uns die erste Ausführung von plus_one näher betrachten. Wenn wir plus_one(five) aufrufen, wird die Variable x im Rumpf von plus_one den Wert Some(5) haben. Dann vergleichen wir das mit jedem match-Zweig:

None => None,

Der Wert Some(5) passt nicht zum Muster None, also fahren wir mit dem nächsten Zweig fort:

Some(i) => Some(i + 1),

Passt Some(5) zu Some(i)? Das tut es! Wir haben die gleiche Variante. i bindet den in Some enthaltenen Wert, sodass i den Wert 5 annimmt. Dann wird der Code im match-Zweig ausgeführt, also fügen wir 1 zum Wert von i hinzu und erzeugen einen neuen Some-Wert mit der Summe 6 darin.

Betrachten wir nun den zweiten Aufruf von plus_one in Codeblock 6-5, wo x den Wert None hat. Wir betreten den match-Block und vergleichen mit dem ersten Zweig:

None => None,

Er passt! Es gibt keinen Wert zum Hinzufügen, also stoppt das Programm und gibt den Wert None auf der rechten Seite von => zurück. Da der erste Zweig passt, werden keine anderen Zweige abgeglichen.

Die Kombination von match und Aufzählungen ist in vielen Situationen nützlich. Du wirst dieses Muster häufig in Rust-Code sehen: match mit einer Aufzählung, eine Variable an die darin enthaltenen Daten binden und dann dazugehörenden Code ausführen. Am Anfang ist es etwas knifflig, aber wenn man sich erst einmal daran gewöhnt hat, wird man sich wünschen, es in allen Sprachen zu haben. Es ist durchweg ein beliebtes Werkzeug.

Abgleiche sind vollständig

Es gibt noch einen weiteren Aspekt von match, den wir besprechen müssen: Die Muster der Zweige müssen alle Möglichkeiten abdecken. Betrachte folgende Version unserer Funktion plus_one, die einen Fehler hat und sich nicht kompilieren lässt:

#![allow(unused)]
fn main() {
fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
    match x {
        Some(i) => Some(i + 1),
    }
}

let five = Some(5);
let six = plus_one(five);
let none = plus_one(None);
}

Wir haben den Fall None nicht behandelt, daher wird dieser Code einen Fehler verursachen. Glücklicherweise ist es ein Fehler, von dem Rust weiß, wie er zu lösen ist. Wenn wir versuchen, diesen Code zu kompilieren, werden wir diese Fehlermeldung bekommen:

$ cargo run
   Compiling enums v0.1.0 (file:///projects/enums)
error[E0004]: non-exhaustive patterns: `None` not covered
 --> src/main.rs:3:15
  |
3 |         match x {
  |               ^ pattern `None` not covered
  |
note: `Option<i32>` defined here
 --> /rustc/07dca489ac2d933c78d3c5158e3f43beefeb/library/core/src/option.rs:570:1
 ::: /rustc/07dca489ac2d933c78d3c5158e3f43beefeb/library/core/src/option.rs:574:5
  |
  = note: not covered
  = note: the matched value is of type `Option<i32>`
help: ensure that all possible cases are being handled by adding a match arm with a wildcard pattern or an explicit pattern as shown
  |
4 ~             Some(i) => Some(i + 1),
5 ~             None => todo!(),
  |

For more information about this error, try `rustc --explain E0004`.
error: could not compile `enums` (bin "enums") due to 1 previous error

Rust weiß, dass wir nicht alle möglichen Fälle abgedeckt haben, und es weiß sogar, welches Muster wir vergessen haben! Abgleiche in Rust sind vollständig: Wir müssen jede letzte Möglichkeit ausschöpfen, damit der Code gültig ist! Speziell im Fall Option<T> schützt uns Rust davor, den Fall None zu übersehen, und davon auszugehen, dass wir einen Wert haben, obwohl vielleicht null vorliegt, und macht so den zuvor besprochenen Milliardenfehler unmöglich.

Auffangmuster und der Platzhalter _

Mit Aufzählungen können wir auch spezielle Aktionen für ausgewählte Werte durchführen und für alle anderen Werte eine Standardaktion. Stell dir vor, wir implementieren ein Spiel, bei dem ein Spieler bei einem Würfelwurf von 3 einen schicken Hut bekommt anstatt sich zu bewegen. Wenn du eine 7 würfelst, verliert dein Spieler einen schicken Hut. Bei allen anderen Werten zieht der Spieler die entsprechende Anzahl an Feldern auf dem Spielfeld. Hier ist ein match, das diese Logik implementiert, wobei das Ergebnis des Würfelwurfs anstelle eines Zufallswerts fest kodiert ist, und alle weitere Logik wird durch Funktionen ohne Rumpf dargestellt, da die tatsächliche Implementierung für dieses Beispiel den Rahmen sprengen würde:

#![allow(unused)]
fn main() {
let dice_roll = 9;
match dice_roll {
    3 => add_fancy_hat(),
    7 => remove_fancy_hat(),
    other => move_player(other),
}

fn add_fancy_hat() {}
fn remove_fancy_hat() {}
fn move_player(num_spaces: u8) {}
}

Bei den ersten beiden Zweigen sind die Muster die literalen Werte 3 und 7. Beim letzten Zweig, der alle anderen möglichen Werte abdeckt, ist das Muster die Variable die wir als other bezeichnet haben. Der Code, der für den other-Zweig läuft, verwendet die Variable, indem er sie an die Funktion move_player übergibt.

Dieser Code lässt sich kompilieren, auch wenn wir nicht alle möglichen Werte aufgelistet haben, die ein u8 haben kann, weil das letzte Muster zu allen nicht explizit aufgeführten Werte passt. Dieses Auffangmuster (catch-all pattern) erfüllt die Anforderung, dass match vollständig sein muss. Beachte, dass wir den Auffangzweig an letzter Stelle angeben müssen, da die Muster der Reihe nach ausgewertet werden. Wenn wir den Auffangzweig früher einfügen würden, würden die anderen Zweige nie ausgeführt werden, also warnt uns Rust, wenn wir Zweige nach einem Auffangzweig hinzufügen!

Rust hat auch ein Muster, das wir verwenden können, wenn wir einen Auffangzweig wollen, aber den Wert im Auffangmuster nicht verwenden wollen: _ ist ein spezielles Muster, das zu jedem Wert passt und nicht an diesen Wert bindet. Dies sagt Rust, dass wir den Wert nicht verwenden werden, damit Rust uns nicht vor einer unbenutzten Variable warnt.

Ändern wir die Spielregeln: Wenn du jetzt etwas anderes als eine 3 oder eine 7 würfelst, musst du erneut würfeln. Wir brauchen den Auffangwert nicht mehr zu verwenden, also können wir unseren Code so ändern, dass wir _ anstelle der Variable namens other verwenden:

#![allow(unused)]
fn main() {
let dice_roll = 9;
match dice_roll {
    3 => add_fancy_hat(),
    7 => remove_fancy_hat(),
    _ => reroll(),
}

fn add_fancy_hat() {}
fn remove_fancy_hat() {}
fn reroll() {}
}

Dieses Beispiel erfüllt auch die Bedingung der Vollständigkeit, weil wir ausdrücklich alle anderen Werte im letzten Zweig ignorieren; wir haben nichts vergessen.

Zum Schluss ändern wir die Spielregeln noch einmal, sodass bei einem Zug nichts anderes passiert, wenn etwas anderes als eine 3 oder eine 7 gewürfelt wird. Wir können das ausdrücken, indem wir den Einheitswert (den leeren Tupel-Typ, den wir im Abschnitt „Der Tupel-Typ“ erwähnt haben) als Code im _-Zweig angeben:

#![allow(unused)]
fn main() {
let dice_roll = 9;
match dice_roll {
    3 => add_fancy_hat(),
    7 => remove_fancy_hat(),
    _ => (),
}

fn add_fancy_hat() {}
fn remove_fancy_hat() {}
}

Hier teilen wir Rust explizit mit, dass wir keinen anderen Wert verwenden werden, der nicht mit einem Muster in einem früheren Zweig übereinstimmt, und dass wir in diesem Fall keinen Code ausführen wollen.

Weitere Informationen zu Mustern und Abgleich findest du in Kapitel 18. Für den Moment machen wir mit der if let-Syntax weiter, die in Situationen nützlich sein kann, in denen der match-Ausdruck etwas wortreich ist.