LSR 005 - 模式匹配
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基本信息
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- LSR 编号 005
- 标题 模式匹配
- 作者 Ziyang-Bai
- 状态 草案
- 类型 标准规范
- 创建日期 04-05-2026
- 归属项目 编译器、通用

摘要
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定义 ``match`` 的语法、模式系统、穷尽检查、类型规则与求值顺序。``match`` 为表达式，支持常量、解构、守卫与 ``Expr`` 匹配。

技术规范
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1. 设计目标
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- 提供可组合、可推导、可穷尽检查的分支表达式
- 控制 ``if-else`` 嵌套深度，提升分支组合性
- 支持符号计算场景的 AST 结构匹配

2. 语法
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2.1 基础语法
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.. code-block:: text

   match target {
       pattern1 [if guard1] => expr1,
       pattern2 [if guard2] => expr2,
       _ => default_expr
   }


规则：

- ``target`` 求值一次
- 分支按书写顺序匹配，首个命中分支立即返回
- ``_`` 是通配符，必须放在最后一个分支

2.2 模式种类
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1. 常量模式

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   match x {
       0 => "zero",
       1 => "one",
       _ => "other"
   }


2. 变量绑定模式

.. code-block:: text

   match x {
       v => v + 1
   }


3. 结构解构模式（以向量为例）

.. code-block:: text

   match data {
       vec[a, b] => a + b,
       _ => 0
   }


4. 守卫模式

.. code-block:: text

   match x {
       v if v > 0 => "pos",
       v if v < 0 => "neg",
       _ => "zero"
   }


5. Expr 结构匹配（CAS）

.. code-block:: text

   func derivative(expr Expr, var Expr) -> Expr {
       return match expr {
           v if v === var => 1,
           u^n if type(n) == num => n * u^(n-1) * derivative(u, var),
           sin(u) => cos(u) * derivative(u, var),
           f + g => derivative(f, var) + derivative(g, var),
           c if type(c) == num => 0,
           _ => 0
       }
   }


3. 穷尽检查与可达性
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3.1 穷尽检查
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- ``target`` 为有限可枚举类型时，必须覆盖全部分支或给出 ``_``
- 当 ``target`` 类型是开放类型（如 ``num``, ``text``, ``Expr``, ``vector``, ``table`` ）时，必须存在 ``_`` 分支

3.2 可达性检查
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- 若某分支被前序分支完全覆盖，编译器报 ``UnreachablePattern``
- 分支顺序规则：``_`` 作为最后一个分支

4. 类型规则
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4.1 目标与模式类型一致性
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- 模式必须与 ``target`` 类型可统一
- 统一性为必需条件，失败时报 ``PatternTypeMismatch``

4.2 分支返回类型
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- 所有分支表达式返回类型必须一致，或满足 LSR-000 数值塔提升规则
- 无法统一时报 ``MatchBranchTypeMismatch``

4.3 绑定变量作用域
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- 模式内新绑定变量仅在对应分支可见
- 守卫表达式可访问该分支绑定变量

5. 求值与副作用规则
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- ``target`` 仅求值一次
- 仅执行首个命中分支的右侧表达式
- 执行范围：仅命中分支的右侧表达式参与求值

6. Expr 匹配特化规则
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- ``===`` 用于数学等价判断，仅限 ``Expr``，其判定语义与化简边界由 LSR-007 定义
- 对交换律节点（如加法）可启用交换律感知匹配：``f + g`` 可匹配 ``x + 1`` 与 ``1 + x``
- 交换律感知不改写源 AST 的标准顺序

7. 错误与诊断
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- ``MissingWildcard``: 开放类型 match 缺失 ``_``
- ``UnreachablePattern``: 分支被前序覆盖
- ``PatternTypeMismatch``: 模式与目标类型不兼容
- ``MatchBranchTypeMismatch``: 分支返回类型无法统一

8. 与其他 LSR 的关系
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- LSR-000：提供核心类型系统、表达式语义与返回类型统一规则
- LSR-006：Lambda 规范来源
- LSR-007：定义 ``===`` 的数学等价判定边界与化简策略