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JEP 361：Switch 表达式（标准）

原文：https://openjdk.org/jeps/361
翻译：张欢

扩展switch以使其既可以用作语句，也可以用作表达式，这样可以使用两种形式：传统的case ... :标签（带有fall-through“贯穿”）或者新的case ... ->标签（不带有贯穿），带有另一个用于从switch表达式产生值的新语句。这些变动会简化日常编码，并为switch中的模式匹配铺平道路。这在JDK 12和JDK 13中是一个预览语言特性。

历史

JEP 325在2017年12月提出了switch表达式。JEP 325在2018年8月作为JDK 12的预览特性。JEP 325的一个方面是重载break语句以从switch表达式中返回结果。JDK 12的反馈表明，这样使用break会造成混淆。作为对反馈的回应，JEP 354作为JEP 325的演进而被创建。JEP 354提出了一个新的语句，yield，并恢复了break的原始含义。JEP 354在2019年6月作为JDK 13的进一步预览特性。JDK 13的反馈表明，该特性现在可以在JDK 14中最终确定并永久化。

动机

当我们准备增强Java编程语言以支持模式匹配（JEP 305）时，现有switch语句的一些不规则性（长期以来一直困扰着用户）成为了障碍。这些包括switch标签之间的默认控制流行为（贯穿），switch块中的默认作用域（将整个块视为一个作用域），以及switch仅作为语句工作的事实，即使它通常更自然地表示为多路条件表达式。

Java中switch语句的当前设计紧密遵循C和C++等语言，默认支持贯穿语义。尽管这种传统的控制流对于编写低级代码（如用于二进制编码的解析器）很有用，但由于switch被用于更高级的上下文，其易错性超过了灵活性。例如，在下面的代码中，许多break语句使其不必要地冗长，且这种视觉噪声通常掩盖了难以调试的错误，遗漏的break语句将意味着意外的贯穿。

switch (day) {
    case MONDAY:
    case FRIDAY:
    case SUNDAY:
        System.out.println(6);
        break;
    case TUESDAY:
        System.out.println(7);
        break;
    case THURSDAY:
    case SATURDAY:
        System.out.println(8);
        break;
    case WEDNESDAY:
        System.out.println(9);
        break;
}

我们建议引入一种新形式的switch标签，“case L ->”，以表示如果匹配标签，则只执行标签右边的代码。我们还建议在每种情况下使用逗号分隔多个常量。之前的代码现在可以写成：

switch (day) {
    case MONDAY, FRIDAY, SUNDAY -> System.out.println(6);
    case TUESDAY                -> System.out.println(7);
    case THURSDAY, SATURDAY     -> System.out.println(8);
    case WEDNESDAY              -> System.out.println(9);
}

在switch标签”case L ->”右侧的代码被限制为表达式、代码块或（为方便起见）throw语句。这有令人愉快的结果，如果一个分支引入局部变量，那它必须包含在一个代码块中，这样它就不属于switch其他分支的代码块。这消除了传统switch代码块的另一个麻烦，其中局部变量的作用域是整个代码块：

switch (day) {
    case MONDAY:
    case TUESDAY:
        int temp = ...     // 'temp' 的作用域直到 }
        break;
    case WEDNESDAY:
    case THURSDAY:
        int temp2 = ...    // 不能称该变量为 'temp'
        break;
    default:
        int temp3 = ...    // 不能称该变量为 'temp'
}

许多现有的switch语句其实是对switch表达式的模拟，其中每个分支要么给一个共同的目标变量赋值，要么返回一个值：

int numLetters;
switch (day) {
    case MONDAY:
    case FRIDAY:
    case SUNDAY:
        numLetters = 6;
        break;
    case TUESDAY:
        numLetters = 7;
        break;
    case THURSDAY:
    case SATURDAY:
        numLetters = 8;
        break;
    case WEDNESDAY:
        numLetters = 9;
        break;
    default:
        throw new IllegalStateException("Wat: " + day);
}

用语句来表达这些是迂回、重复且易错的。作者本意是我们应该为每一天计算一个numLetters的值。应该直接使用switch表达式说出来，这样既更清晰又更安全：

int numLetters = switch (day) {
    case MONDAY, FRIDAY, SUNDAY -> 6;
    case TUESDAY                -> 7;
    case THURSDAY, SATURDAY     -> 8;
    case WEDNESDAY              -> 9;
};

反过来，扩展switch以支持表达式会带来一些额外需求，例如扩展流程分析（表达式必须始终计算一个值或意外中断），并允许某些switch表达式的case分支抛出一个异常而不是产生一个值。

描述

箭头标签

除了switch代码块中传统的”case L :”标签外，我们还定义了一种新的简化形式，“case L ->”标签。如果标签匹配，则仅执行箭头右侧的表达式或语句；没有贯穿。例如，给定以下使用新标签形式的switch语句：

static void howMany(int k) {
    switch (k) {
        case 1  -> System.out.println("one");
        case 2  -> System.out.println("two");
        default -> System.out.println("many");
    }
}

这些代码：

howMany(1);
howMany(2);
howMany(3);

会输出以下结果：

one
two
many

switch表达式

我们扩展switch语句以使其可以用作表达式。例如，之前的howMany方法可以用switch表达式重写，只用一个println。

static void howMany(int k) {
    System.out.println(
        switch (k) {
            case  1 -> "one";
            case  2 -> "two";
            default -> "many";
        }
    );
}

通常情况下，switch表达式如下所示：

T result = switch (arg) {
    case L1 -> e1;
    case L2 -> e2;
    default -> e3;
};

switch表达式是聚合表达式；如果已知目标类型，则该类型会压入每个分支。switch表达式的类型即其自身目标类型（如果已知）；如果未知，则通过组合每个case分支的类型来计算一个独立类型。

产生值

大多数switch表达式在”case L ->”标签的右侧都有一个表达式。以防需要一个完整代码块，我们引入一个新的yield语句来产生一个值，该值成为闭包switch表达式的值。

int j = switch (day) {
    case MONDAY  -> 0;
    case TUESDAY -> 1;
    default      -> {
        int k = day.toString().length();
        int result = f(k);
        yield result;
    }
};

像switch语句一样，switch表达式也可以使用带有”case L:”标签的传统switch代码块（暗示着贯穿语义）。在这种情况下，使用新的yield语句产生值：

int result = switch (s) {
    case "Foo":
        yield 1;
    case "Bar":
        yield 2;
    default:
        System.out.println("Neither Foo nor Bar, hmmm...");
        yield 0;
};

两种语句，break（带有或不带有标签）和yield，有助于在switch语句和switch表达式之间轻松消除歧义：break语句的目标只能是switch语句，而不能是switch表达式；而yield语句的目标只能是switch表达式，而不能是switch语句。

yield不是一个关键字，而是一个受限的标识符（就像var），这意味着命名为yield的类是非法的。如果作用域内有一元方法yield，那么表达式yield(x)会有歧义（既可以是一个方法调用，又可以是一个操作数为括号表达式的yield语句），解决这种歧义将有利于yield语句。如果首选方法调用，则应该使用this限定实例方法，或使用类名称限定静态方法。

详尽性

switch表达式的case必须详尽；对于所有可能的值，必须有一个匹配的switch标签。（显然switch语句并不要求详尽。）

在实践中，这通常意味着需要一个default子句；然而，对于涵盖所有已知常量的enum switch表达式，default子句会由编译器插入，用来表明enum定义已在编译器和运行期之间改变。依靠插入这种隐式的default子句可以让代码更健壮。现在，当代码重新编译时，编译器会检查所有的case是否得到显式处理。如果开发人员插入了显式的default子句（如今天的情况），则可能的错误将被隐藏。

此外，switch必须以一个值正常完成，或以抛出异常意外中断。这有许多后果。首先，编译器会为每个switch标签进行检查，如果匹配，则会产生一个值。

int i = switch (day) {
    case MONDAY -> {
        System.out.println("Monday");
        // 错误！代码块未包含 yield 语句
    }
    default -> 1;
};
i = switch (day) {
    case MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY:
        yield 0;
    default:
        System.out.println("Second half of the week");
        // 错误！组未包含 yield 语句
};

进一步的后果是，控制语句（break、yield、return和continue）不能跳转switch表达式，如下所示：

z:
    for (int i = 0; i < MAX_VALUE; ++i) {
        int k = switch (e) {
            case 0:
                yield 1;
            case 1:
                yield 2;
            default:
                continue z;
                // 错误！非法跳转 switch 表达式
        };
    ...
    }

依赖

这个JEP演进自JEP 325和JEP 354。然而，这个JEP是独立的，并不依赖那两个JEP。

未来对模式匹配的支持，将以JEP 305作为开始，基于这个JEP建立。

风险与假设

有时不清楚是否需要使用带有case L ->标签的switch语句。以下几点考虑支持将其包含在内：

  • 有的switch语句用到了副作用，但通常仍然是“每个标签一个动作”。通过使用新型标签将这些内容折叠起来，可以让语句更直接、更不易出错。
  • 在Java的早期，不幸的选择是switch语句块中的默认控制流是贯穿，而不是跳出，这对开发者来说仍是一个巨大的忧虑。为通常的switch构造解决该问题（而不是只为switch表达式）可以减少该选择的影响。
  • 将预期的收益（表达式、更好的控制流、清晰的作用域）发挥到正交特性中，switch表达式和switch语句可以有更多共同点。switch表达式和switch语句之间的差异越大，语言学习就越复杂，开发者利用它们获得的优势就越大。