C# 2.0 中Iterators的改进与实现原理浅析

C#语言从VB中吸取了一个非常实用的foreach语句。对所有支持IEnumerable接口的类的实例，foreach语句使用统一的接口遍历其子项，使得以前冗长的for循环中繁琐的薄记工作完全由编译器自动完成。支持IEnumerable接口的类通常用一个内嵌类实现IEnumerator接口，并通过IEnumerable.GetEnumerator函数，允许类的使用者如foreach语句完成遍历工作。
这一特性使用起来非常方便，但需要付出一定的代价。Juval Lowy发表在MSDN杂志2004年第5期上的Create Elegant Code with Anonymous Methods, Iterators, and Partial Classes一文中，较为详细地介绍了C# 2.0中迭代支持和其他新特性。

首先，因为IEnumerator.Current属性是一个object类型的值，所以值类型(value type)集合在被foreach语句遍历时，每个值都必须经历一次无用的box和unbox操作；就算是引用类型(reference type)集合，在被foreach语句使用时，也需要有一个冗余的castclass指令，保障枚举出来的值进行类型转换的正确性。


以下为引用：

using System.Collections;

public class Tokens : IEnumerable
{
...
Tokens f = new Tokens(...);

foreach (string item in f)
{
Console.WriteLine(item);
}
...
}




上面的简单代码被自动转换为


以下为引用：

Tokens f = new Tokens(...);

IEnumerator enum = f.GetEnumerator();
try
{
do {
string item = (string)enum.get_Current(); // 冗余转换

Console.WriteLine(item);
} while(enum.MoveNext());
}
finally
{
if(enum is IDisposable) // 需要验证实现IEnumerator接口的类是否支持IDisposable接口
{
((IDisposable)enum).Dispose();
}
}




好在C# 2.0中支持了泛型(generic)的概念，提供了强类型的泛型版本IEnumerable定义，伪代码如下：


以下为引用：

namespace System.Collections.Generic
{
public interface IEnumerable<ItemType>
{
IEnumerator<ItemType> GetEnumerator();
}
public interface IEnumerator<ItemType> : IDisposable
{
ItemType Current{get;}
bool MoveNext();
}
}




这样一来即保障了遍历集合时的类型安全，又能够对集合的实际类型直接进行操作，避免冗余转换，提高了效率。

以下为引用：

using System.Collections.Generic;

public class Tokens : IEnumerable<string>
{
... // 实现 IEnumerable<string> 接口

Tokens f = new Tokens(...);

foreach (string item in f)
{
Console.WriteLine(item);
}
}




上面的代码被自动转换为


以下为引用：

Tokens f = new Tokens(...);

IEnumerator<string> enum = f.GetEnumerator();
try
{
do {
string item = enum.get_Current(); // 无需转换

Console.WriteLine(item);
} while(enum.MoveNext());
}
finally
{
if(enum) // 无需验证实现IEnumerator接口的类是否支持IDisposable接口，
// 因为所有由编译器自动生成的IEnumerator接口实现类都支持
{
((IDisposable)enum).Dispose();
}
}





除了遍历时的冗余转换降低性能外，C#现有版本另一个不爽之处在于实现IEnumerator接口实在太麻烦了。通常都是由一个内嵌类实现IEnumerator接口，而此内嵌类除了get_Current()函数外，其他部分的功能基本上都是相同的，如


以下为引用：

public class Tokens : IEnumerable
{
public string[] elements;

Tokens(string source, char[] delimiters)
{
// Parse the string into tokens:
elements = source.Split(delimiters);
}

public IEnumerator GetEnumerator()
{
return new TokenEnumerator(this);
}

// Inner class implements IEnumerator interface:
private class TokenEnumerator : IEnumerator
{
private int position = -1;
private Tokens t;

public TokenEnumerator(Tokens t)
{
this.t = t;
}

// Declare the MoveNext method required by IEnumerator:
public bool MoveNext()
{
if (position < t.elements.Length - 1)
{
position++;
return true;
}
else
{
return false;
}
}

// Declare the Reset method required by IEnumerator:
public void Reset()
{
position = -1;
}

// Declare the Current property required by IEnumerator:
public object Current
{
get // get_Current函数
{
return t.elements[position];
}
}
}
...
}




内嵌类TokenEnumerator的position和Tokens实际上是每个实现IEnumerator接口的类共有的，只是Current属性的get函数有所区别而已。这方面C# 2.0做了很大的改进，增加了yield关键字的支持，允许代码逻辑上的重用。上面冗长的代码在C# 2.0中只需要几行，如


以下为引用：

using System.Collections.Generic;

public class Tokens : IEnumerable<string>
{
public IEnumerator<string> GetEnumerator()
{
for(int i = 0; i<elements.Length; i++)
yield elements[i];
}
...
}




GetEnumerator函数是一个C# 2.0支持的迭代块(iterator block)，通过yield告诉编译器在什么时候返回什么值，再由编译器自动完成实现IEnumerator<string>接口的薄记工作。而yield break语句支持从迭代块中直接结束，如


以下为引用：

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