C#中foreach实现原理

本文主要记录我在学习C#中foreach遍历原理的心得体会。

对集合中的要素进行遍历是所有编码中经常涉及到的操作，因此大部分编程语言都把此过程写进了语法中，比如C#中的foreach。经常会看到下面的遍历代码：

            var lstStr = new List<string> { "a", "b" };
            foreach (var str in lstStr)
            {
                Console.WriteLine(str);
            }

实际此代码的执行过程：

            var lstStr = new List<string> {"a", "b"};
            IEnumerator<string> enumeratorLst = lstStr.GetEnumerator();
            while (enumeratorLst.MoveNext())
            {
                Console.WriteLine(enumeratorLst.Current);
            }

会发现有GetEnumerator()方法和IEnumerator<string>类型，这就涉及到可枚举类型和枚举器的概念。

为了方便理解，以下为非泛型示例：

    // 摘要:
    //     公开枚举器，该枚举器支持在非泛型集合上进行简单迭代。
    public interface IEnumerable
    {
        // 摘要:
        //     返回一个循环访问集合的枚举器。
        //
        // 返回结果:
        //     可用于循环访问集合的 System.Collections.IEnumerator 对象。
        IEnumerator GetEnumerator();
    }

实现了此接口的类称为可枚举类型，是可以用foreach进行遍历的标志。

方法GetEnumerator()的返回值是枚举器，可以理解为游标。

    // 摘要:
    //     支持对非泛型集合的简单迭代。
    public interface IEnumerator
    {
        // 摘要:
        //     获取集合中的当前元素。
        //
        // 返回结果:
        //     集合中的当前元素。
        //
        // 异常:
        //   System.InvalidOperationException:
        //     枚举数定位在该集合的第一个元素之前或最后一个元素之后。
        object Current { get; }

        // 摘要:
        //     将枚举数推进到集合的下一个元素。
        //
        // 返回结果:
        //     如果枚举数成功地推进到下一个元素，则为 true；如果枚举数越过集合的结尾，则为 false。
        //
        // 异常:
        //   System.InvalidOperationException:
        //     在创建了枚举数后集合被修改了。
        bool MoveNext();
        //
        // 摘要:
        //     将枚举数设置为其初始位置，该位置位于集合中第一个元素之前。
        //
        // 异常:
        //   System.InvalidOperationException:
        //     在创建了枚举数后集合被修改了。
        void Reset();
    }

以下是自定义一个迭代器的示例（https://msdn.microsoft.com/en-us/library/system.collections.ienumerator.aspx）：

using System;
using System.Collections;

// Simple business object.
public class Person
{
    public Person(string fName, string lName)
    {
        this.firstName = fName;
        this.lastName = lName;
    }

    public string firstName;
    public string lastName;
}

// Collection of Person objects. This class
// implements IEnumerable so that it can be used
// with ForEach syntax.
public class People : IEnumerable
{
    private Person[] _people;
    public People(Person[] pArray)
    {
        _people = new Person[pArray.Length];

        for (int i = 0; i < pArray.Length; i++)
        {
            _people[i] = pArray[i];
        }
    }

// Implementation for the GetEnumerator method.
    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
    {
       return (IEnumerator) GetEnumerator();
    }

    public PeopleEnum GetEnumerator()
    {
        return new PeopleEnum(_people);
    }
}

// When you implement IEnumerable, you must also implement IEnumerator.
public class PeopleEnum : IEnumerator
{
    public Person[] _people;

    // Enumerators are positioned before the first element
    // until the first MoveNext() call.
    int position = -1;

    public PeopleEnum(Person[] list)
    {
        _people = list;
    }

    public bool MoveNext()
    {
        position++;
        return (position < _people.Length);
    }

    public void Reset()
    {
        position = -1;
    }

    object IEnumerator.Current
    {
        get
        {
            return Current;
        }
    }

    public Person Current
    {
        get
        {
            try
            {
                return _people[position];
            }
            catch (IndexOutOfRangeException)
            {
                throw new InvalidOperationException();
            }
        }
    }
}

class App
{
    static void Main()
    {
        Person[] peopleArray = new Person[3]
        {
            new Person("John", "Smith"),
            new Person("Jim", "Johnson"),
            new Person("Sue", "Rabon"),
        };

        People peopleList = new People(peopleArray);
        foreach (Person p in peopleList)
            Console.WriteLine(p.firstName + " " + p.lastName);

    }
}

/* This code produces output similar to the following:
 *
 * John Smith
 * Jim Johnson
 * Sue Rabon
 *
 */

在有了yield这个关键字以后，我们可以通过这样的方式来创建枚举器：

using System;
using System.Collections;

// Simple business object.
public class Person
{
    public Person(string fName, string lName)
    {
        this.firstName = fName;
        this.lastName = lName;
    }

    public string firstName;
    public string lastName;
}

// Collection of Person objects. This class
// implements IEnumerable so that it can be used
// with ForEach syntax.
public class People : IEnumerable
{
    private Person[] _people;

    public People(Person[] pArray)
    {
        _people = new Person[pArray.Length];

        for (int i = 0; i < pArray.Length; i++)
        {
            _people[i] = pArray[i];
        }
    }

    // Implementation for the GetEnumerator method.
    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
    {
        for (int i = 0; i < _people.Length; i++)
        {
            yield return _people[i];
        }
    }

}

class App
{
    static void Main()
    {
        Person[] peopleArray = new Person[3]
        {
            new Person("John", "Smith"),
            new Person("Jim", "Johnson"),
            new Person("Sue", "Rabon"),
        };

        People peopleList = new People(peopleArray);
        foreach (Person p in peopleList)
            Console.WriteLine(p.firstName + " " + p.lastName);
    }
}