【C#】パターンマッチング完全ガイド｜全パターン種別・switch式・is式・list/positional/relational・C#バージョン別機能まで

object value = 42;

// ① switch 式（C# 8+）— 式として値を返す
string label = value switch
{
    int n when n > 0   => $"正の整数: {n}",
    int n              => $"整数: {n}",
    string s           => $"文字列: {s}",
    null               => "null",
    _                  => "その他",
};

// ② switch 文（C# 7+）— 従来のステートメント
switch (value)
{
    case int n when n > 0:
        Console.WriteLine("正の整数");
        break;
    case string s:
        Console.WriteLine($"文字列: {s}");
        break;
    default:
        break;
}

// ③ is 式（C# 7+）— 単純な型チェック＋変数宣言
if (value is int number)
    Console.WriteLine($"数値: {number}");

// ④ is 式でプロパティ・定数パターン（C# 8+）
if (value is Person { Age: >= 18 } adult)
    Console.WriteLine($"成人: {adult}");

// ⑤ is 式で否定パターン（C# 9+）
if (value is not null)
    Console.WriteLine("値がある");

// ① 定数パターン: リテラル・null・enum・const 値と一致するか
string status = code switch
{
    200 => "OK",
    404 => "Not Found",
    500 => "Internal Server Error",
    _   => "Unknown",
};

// ② 宣言パターン: 型チェック＋変数宣言（最も使う）
if (obj is string s && s.Length > 3)
    Console.WriteLine(s.ToUpper());

// ③ 型パターン（C# 9+）: 変数を使わない型チェックのみ
if (obj is string)
    Console.WriteLine("文字列です");

// ④ var パターン: 必ずマッチ＋変数に束縛（型推論あり）
//    計算結果の中間変数を switch 内で使いたいときに便利
int result = input switch
{
    > 0            => 1,
    < 0            => -1,
    var zero       => zero, // マッチする変数として 0 を取り出せる
};

// ⑤ 破棄パターン _ : マッチするが値は使わない
//    switch 式の default 相当として使われる
string category = day switch
{
    1 or 2 or 3 or 4 or 5 => "平日",
    6 or 7                => "週末",
    _                     => "不正な曜日",
};

// 破棄は位置パターンの「この要素は何でもよい」としても機能する
if (point is (0, _)) // X=0 ならば Y は何でもよい
    Console.WriteLine("Y 軸上");

public sealed record Customer(string Name, int Age, string Country, decimal Balance);

// 単純プロパティマッチ
string discount = customer switch
{
    { Age: >= 65 }                        => "シニア20%",
    { Age: < 13 }                         => "子供30%",
    { Country: "Japan", Balance: > 10000 } => "VIP10%",
    _                                     => "通常",
};

// ネストしたプロパティパターン（C# 8+ でも path 記法は拡張プロパティパターン＝C# 10+）
public sealed record Address(string City, string Country);
public sealed record Order(Customer Customer, Address ShipTo);

string shippingFee = order switch
{
    { ShipTo: { Country: "Japan" } }  => "国内",    // C# 8+ のネスト記法
    { ShipTo.Country: "USA" }         => "アメリカ", // C# 10+ の拡張プロパティパターン
    _                                 => "その他",
};

// プロパティパターンの中で変数を取り出すと、その値を右辺で使える
string message = customer switch
{
    { Age: >= 65, Name: var n }              => $"{n} さんシニア割引",
    { Age: var a, Name: var n } when a < 13  => $"{n} さん（{a}歳）子供割引",
    _                                        => "通常料金",
};

// is 式でも使える
if (order is { Customer: { Age: >= 18 } adult, ShipTo.City: var city })
    Console.WriteLine($"{adult.Name} へ {city} に配送");

// record または Deconstruct を持つ型で使える
public sealed record Point(int X, int Y);

// 位置パターン（X, Y の順序）
string quadrant = point switch
{
    (0, 0)              => "原点",
    (> 0, > 0)          => "第1象限",
    (< 0, > 0)          => "第2象限",
    (< 0, < 0)          => "第3象限",
    (> 0, < 0)          => "第4象限",
    (_, 0)              => "X軸上",
    (0, _)              => "Y軸上",
};

// タプルパターン: 複数の値を同時にマッチ（引数が2つ以上の条件で便利）
public enum Light { Red, Yellow, Green }

string nextAction = (light, isEmergency) switch
{
    (Light.Red, true)    => "停止",
    (Light.Red, false)   => "停止して待機",
    (Light.Yellow, _)    => "減速",
    (Light.Green, _)     => "進行",
};

// 位置パターン内にプロパティパターンをネスト（C# 8+）
string priceCategory = order switch
{
    (_, { Country: "Japan" })    => "国内",
    var (c, a) when c.Age > 65   => $"シニア＠{a.City}",
    _                            => "その他",
};

// 関係パターン: <, <=, >, >= をパターンの中で直接使える
string bmiCategory = bmi switch
{
    < 18.5 => "低体重",
    < 25.0 => "標準",
    < 30.0 => "肥満（1度）",
    _      => "肥満（2度以上）",
};

// 論理パターン: and / or / not でパターンを組み合わせる
bool isPrintableAscii = ch is >= ' ' and <= '~';
bool isLetterOrDigit  = ch is (>= 'a' and <= 'z')
                          or (>= 'A' and <= 'Z')
                          or (>= '0' and <= '9');
bool isNotNull        = value is not null;

// switch 式での組み合わせ
string range = number switch
{
    0                    => "ゼロ",
    > 0 and <= 100       => "1〜100",
    > 100 and <= 1000    => "101〜1000",
    > 1000 and not 9999  => "1000超（9999は除く）",
    < 0                  => "負数",
    _                    => "その他",
};

// not パターンで型を絞る
object? obj = GetValue();
if (obj is not null and string s)  // null 以外かつ string
    Console.WriteLine(s);

// 括弧パターン: 優先順位を明示
bool inRange = n is (> 0 and < 10) or (> 90 and < 100);

// 基本: 長さと要素の並びでマッチ
int[] arr = { 1, 2, 3 };
bool isOneTwoThree = arr is [1, 2, 3];     // true
bool startsWithOne = arr is [1, ..];       // true（先頭が 1、残りは任意）
bool endsWithThree = arr is [.., 3];       // true
bool hasMiddle     = arr is [_, 2, _];     // 長さ3で真ん中が 2

// スライスパターン: 残りを変数に束縛
int[] data = { 1, 2, 3, 4, 5 };
if (data is [var first, .. var middle, var last])
{
    Console.WriteLine(first);                   // 1
    Console.WriteLine(string.Join(",", middle)); // 2,3,4
    Console.WriteLine(last);                    // 5
}

// switch 式と組み合わせ
string Describe(int[] nums) => nums switch
{
    []                 => "空",
    [var only]         => $"1要素: {only}",
    [var a, var b]     => $"2要素: {a}, {b}",
    [1, 2, .. var rest] => $"1,2 で始まり残り {rest.Length} 要素",
    [.., var last]     => $"最後は {last}",
};

// List や Span でも使える（ICollection + GetEnumerator 等を満たす型）
List<string> tags = new() { "C#", "dotnet", "pattern" };
bool hasThree = tags is [_, _, _];

// when: パターン＋任意の bool 式の組み合わせ
// パターンだけでは表現しにくい条件（複数変数の関係など）に使う

string classify = (min, max) switch
{
    (var lo, var hi) when lo > hi => "範囲不正",
    (0, 0)                        => "空範囲",
    (var lo, var hi)              => $"{lo}〜{hi}",
};

// 型パターン＋when で「型が X かつ条件を満たす」
int SpecialLength(object obj) => obj switch
{
    string s when s.Length > 100 => -1,          // 長すぎる
    string { Length: 0 }         => 0,           // 空文字列
    string s                     => s.Length,
    int[] a when a.Length > 1000 => -1,
    int[] a                      => a.Length,
    _                            => throw new ArgumentException(),
};

// when は is 式でも使える（ただし is の文法上は式の外にくる）
if (value is int i && i % 2 == 0)  // 慣習的にこれが使われる
    Console.WriteLine("偶数");

// switch 文の when
switch (customer)
{
    case { Age: >= 18 } adult when adult.Country == "JP":
        // 日本在住の成人
        break;
}

// コンパイラは「すべての入力パターンが網羅されているか」を静的に判定する
// 網羅されていない場合 CS8509 警告を出す（実行時に MatchFailureException が起きる危険）

public enum Shape { Circle, Square, Triangle }

// NG: Triangle が漏れている → CS8509 警告
double Area(Shape s, double size) => s switch
{
    Shape.Circle => Math.PI * size * size,
    Shape.Square => size * size,
    // Triangle と未定義値が漏れている → 警告
};

// OK ①: すべての enum 値＋未定義値を拾う
double AreaSafe(Shape s, double size) => s switch
{
    Shape.Circle   => Math.PI * size * size,
    Shape.Square   => size * size,
    Shape.Triangle => size * size / 2,
    _              => throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(s)),
};

// OK ②: sealed record / 判別共用体的な階層で網羅性を得る
public abstract record Payment;
public sealed record CreditCard(string Number) : Payment;
public sealed record BankTransfer(string Iban)  : Payment;
public sealed record Cash                       : Payment;

decimal Fee(Payment p) => p switch
{
    CreditCard   => 0.03m,
    BankTransfer => 0.01m,
    Cash         => 0m,
    // sealed 階層なので網羅性が検出される
};

// sealed record を階層化すると判別共用体として使え、
// 位置パターンで各ケースを網羅的に処理できる

public abstract record Expr;
public sealed record Num(double Value)          : Expr;
public sealed record Add(Expr L, Expr R)        : Expr;
public sealed record Mul(Expr L, Expr R)        : Expr;
public sealed record Neg(Expr Inner)            : Expr;

// 再帰的パターンマッチで数式評価
static double Eval(Expr e) => e switch
{
    Num(var v)       => v,
    Add(var a, var b) => Eval(a) + Eval(b),
    Mul(var a, var b) => Eval(a) * Eval(b),
    Neg(var x)       => -Eval(x),
    _                => throw new NotSupportedException(),
};

// 使用例: (1 + 2) * -3 を評価
Expr expr = new Mul(new Add(new Num(1), new Num(2)), new Neg(new Num(3)));
Console.WriteLine(Eval(expr)); // -9

// 定数だけ先に処理するパターン
static Expr Simplify(Expr e) => e switch
{
    Add(Num(0), var x)     => x,               // 0 + x → x
    Add(var x, Num(0))     => x,               // x + 0 → x
    Mul(Num(1), var x)     => x,               // 1 * x → x
    Mul(Num(0), _) or Mul(_, Num(0)) => new Num(0), // 0 * x → 0
    Neg(Neg(var x))        => x,               // -(-x) → x
    _                      => e,
};

static string Classify(int code) => code switch
{
    < 100 or >= 600     => "不正",
    < 200               => "情報",
    < 300               => "成功",
    < 400               => "リダイレクト",
    < 500               => "クライアントエラー",
    _                   => "サーバーエラー",
};

public sealed record User(string Name, int Age);

static string Greet(User? user) => user switch
{
    null                     => "ゲストさん、ようこそ",
    { Age: < 18, Name: var n } => $"{n}くん、こんにちは",
    { Name: var n }          => $"{n} さん、ようこそ",
};

public abstract record Result<T>;
public sealed record Success<T>(T Value)    : Result<T>;
public sealed record Failure<T>(string Error) : Result<T>;

static void HandleResult(Result<int> result)
{
    switch (result)
    {
        case Success<int>(var value):
            Console.WriteLine($"成功: {value}");
            break;
        case Failure<int>(var msg):
            Console.WriteLine($"失敗: {msg}");
            break;
    }
}

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

static double Area(Shape s) => s switch
{
    Circle(var r)           => Math.PI * r * r,
    Rectangle(var w, var h) => w * h,
    Triangle(var b, var h)  => b * h / 2,
};

// 新しい形状を追加したい時は Shape を継承して record を作り
// Area の switch に1行追加するだけ（かつ網羅性警告で漏れを検出）

public sealed record Config(string Host, int Port, string? ApiKey, int Timeout);

static string? Validate(Config c) => c switch
{
    { Host: null or "" }           => "Host が未設定",
    { Port: <= 0 or > 65535 }      => "Port が範囲外",
    { ApiKey: null or "" }         => "ApiKey が必要",
    { Timeout: < 0 }               => "Timeout は 0 以上",
    _                              => null,  // 問題なし
};