τ - if-else：表达式还是语句？

Posted on April 25, 2020 by τ

if-else 语句应该是语句还是表达式呢？这是一个有趣的问题，不同答案会使得编程语言的表现形式很不一样。

表达式，是运行后会产生值的语句，例如 a+b， a>b，true 等。简单来说，如果一个语句是表达式，那么这个语句可以写于赋值符号的右边，例如 let a = a > b。而除了表达式语句以外的语句运行后不会产生值。可以看出，表达式严格而言是语句的一个子集。本文中，我使用『语句』的狭义含义，也就是仅表示语句中不包含表达式语句的部分。

一般在函数式编程语言中，例如 Haskell 中，if-else 是表达式。

let a = if 2 > 1 then 3 else 1

很多支持函数式范式的语言也有类似的表达式，如 Python：

a = 3 if 3 > 1 else 1
# 3 if 3 > 1 else 1 执行后会产生 3 或者 1

但是 Python 中也存在不是表达式的 if-else 语句，如：

if 3 > 1:
    a = 3
else:
    a = 1
# `a` 直接在 *if-else* 的分支中被赋值的，*if-else* 语句本身并没有产生一个值

在上面三个示例中我们可以看出：

if-else 如果是表达式，那么 else 是不可缺少的。
作为表达式的 if-else 的表达能力更弱。
if-else 作为表达式设计上更加优雅（个人看法）。
在函数式编程语言中if-else 作为表达式是必须的（因为函数式语言是 immutable, 所以 if-else 必须将其执行结果通过表达式值表现出来）。

这就出现了一个设计上的矛盾：if-else 作为表达式或者语句，各有其优缺点。而且如果要引入另一种范式，可能需要增加新的语法，如 Python。Rust 很优雅地解决了这个矛盾。

Rust 中 if-else 语句也是表达式，且其每一个分支必须产生相同类型的值。if-else 之后都必须是大括号包括的代码块，代码块的最后一行即是产生的值。在 else 分支缺省的情况下，else 分支产生的值为 ()，即 Rust 中的 nothing。

let a = if x > 2 {
        x-10
    } else {
        x + 10
    };

如果在代码块的最后一行的表达式加 ;, 会忽略表达式产生的值，即代码块产生的值为 ()。也就是说，如果 if 后的代码块产生的值是 ()时，可以省略 else。

let mut x = 10;
if x > 10 {
    x -= 10;
} // 因为 if 产生的值为 `()`,  结尾不需要加 `;`

从上面的几个例子可以看到，Rust 中 if-else 语句虽然是表达式，却同时可以具有语句的灵活性。通过引入代码块的产生值的概念，; 忽略表达式的值等设计，巧妙地将两种看似不同的设计融合在一起。相比 Python 通过两种语法来支持两种不同范式的设计，Rust 只用了一种语法却可以兼容两种写法，实在是妙啊。

对于这个问题，我们可以思考的更加深入一些。上面提到了在纯函数式编程语言中，因为 immutability ，在执行分支的时候，分支不能改变之前的『变量』的值，分支执行的效果必须通过表达式的返回值表达出来（暂时忽略 IO 产生的效果）。所以 if-else 语句必须作为语句存在于函数式编程语言中。我们可以得出一个武断的结论：如果一门编程语言要支持 immutability, 那么 if-else 必须是表达式。

回到 Rust，考虑下面的功能：现要根据 x 的值是否大于 20 来设定 y 的值为 1 或者 0。如果允许使用 mut, 实现就是我们很熟悉的样子：

let x = 20;
let mut y = 0;
if x > 20 {
    y = 1;
}

但是如果不允许使用 mut，我们就无法在 if 后面的代码块中去更改 y 的值，而必须通过表达式的值来设置 y 。

let x = 20;
let y = if x > 20 { 1 } else { 0 };

可以看到之所以会出现 if-else 的两种不同设计，其更加根本的原因在于是否是 immutable。而 Rust 恰好想同时支持 mutability 和 immutability，所以其 if-else 语句采用了两种特性可以兼容的设计。

需要指出的是，if-else 作为表达式在 immutable 编程语言中是必须的，在 mutable 编程语言中也是可以存在的。例如 C 语言中有 :? 这种三目运算符，Python 中也有 if-else 作为表达式的语法。这不是必须的，但是有时候能让代码看起来更加简洁。C 语言中的三目运算符一般可以翻译成不需要分支预测的汇编代码（SET 系列指令），从而提高代码效率。

Rust 这个语法设计上的小细节实在是让我感到惊喜。在一门编程语言的设计中，语法和语言支持的特性不是独立存在的，他们常常是相互影响的。两者是形式和内容的关系。内容需要某种形式去表达，反过来，形式也限制了内容的表达。而一门优秀的语言应该充分考虑两者的相互作用。

if-else： 表达式还是语句？

if-else：表达式还是语句？