[C#基础知识系列]专题十二:迭代器

引言:

 　　在C# 1.0中我们经常使用foreach来遍历一个集合中的元素,然而一个类型要能够使用foreach关键字来对其进行遍历必须实现IEnumerable或IEnumerable<T>接口,(之所以来必须要实现IEnumerable这个接口,是因为foreach是迭代语句,要使用foreach必须要有一个迭代器才行的，然而IEnumerable接口中就有IEnumerator GetEnumerator()方法是返回迭代器的，所以实现了IEnumerable接口，就必须实现GetEnumerator()这个方法来返回迭代器，有了迭代器就自然就可以使用foreach语句了),然而在C# 1.0中要获得迭代器就必须实现IEnumerable接口中的GetEnumerator()方法，然而要实现一个迭代器就必须实现IEnumerator接口中的bool MoveNext()和void Reset()方法,然而 C# 2.0中提供 yield关键字来简化迭代器的实现,这样在C# 2.0中如果我们要自定义一个迭代器就容易多了。下面就具体介绍了C# 2.0 中如何提供对迭代器的支持.

一、迭代器的介绍

 　　迭代器大家可以想象成数据库的游标,即一个集合中的某个位置,C# 1.0中使用foreach语句实现了访问迭代器的内置支持，使用foreach使我们遍历集合更加容易（比使用for语句更加方便，并且也更加容易理解），foreach被编译后会调用GetEnumerator来返回一个迭代器，也就是一个集合中的初始位置（foreach其实也相当于是一个语法糖，把复杂的生成代码工作交给编译器去执行）。

二、C#1.0如何实现迭代器

 　　在C# 1.0 中实现一个迭代器必须实现IEnumerator接口，下面代码演示了传统方式来实现一个自定义的迭代器：

using System;
using System.Collections;

namespace 迭代器Demo
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Friends friendcollection = new Friends();
            foreach (Friend f in friendcollection)
            {
                Console.WriteLine(f.Name);
            }

            Console.Read();
        }
    }

    /// <summary>
    ///  朋友类
    /// </summary>
    public class Friend
    {
        private string name;
        public string Name
        {
            get { return name; }
            set { name = value; }
        }
        public Friend(string name)
        {
            this.name = name;
        }
    }

    /// <summary>
    ///   朋友集合
    /// </summary>
    public class Friends : IEnumerable
    {
        private Friend[] friendarray;

        public Friends()
        {
            friendarray = new Friend[]
            {
                new Friend("张三"),
                new Friend("李四"),
                new Friend("王五")
            };
        }

        // 索引器
        public Friend this[int index]
        {
            get { return friendarray[index]; }
        }

        public int Count
        {
            get { return friendarray.Length; }
        }

        // 实现IEnumerable<T>接口方法
       public  IEnumerator GetEnumerator()
        {
            return new FriendIterator(this);
        }
    }

    /// <summary>
    ///  自定义迭代器，必须实现 IEnumerator接口
    /// </summary>
    public class FriendIterator : IEnumerator
    {
        private readonly Friends friends;
        private int index;
        private Friend current;
        internal FriendIterator(Friends friendcollection)
        {
            this.friends = friendcollection;
            index = 0;
        }

        #region 实现IEnumerator接口中的方法
        public object Current
        {
            get
            {
                return this.current;
            }
        }

        public bool MoveNext()
        {
            if (index + 1 > friends.Count)
            {
                return false;
            }
            else
            {
                this.current = friends[index];
                index++;
                return true;
            }
        }

        public void Reset()
        {
            index = 0;
        }

        #endregion 
    }
}

运行结果(上面代码中都有详细的注释,这里就不说明了,直接上结果截图):

三、使用C#2.0的新特性简化迭代器的实现

 　　在C# 1.0 中要实现一个迭代器必须实现IEnumerator接口，这样就必须实现IEnumerator接口中的MoveNext、Reset方法和Current属性，从上面代码中看出,为了实现FriendIterator迭代器需要写40行代码,然而在C# 2.0 中通过yield return语句简化了迭代器的实现，下面看看C# 2.0中简化迭代器的代码：

namespace 简化迭代器的实现
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Friends friendcollection = new Friends();
            foreach (Friend f in friendcollection)
            {
                Console.WriteLine(f.Name);
            }

            Console.Read();
        }
    }

    /// <summary>
    ///  朋友类
    /// </summary>
    public class Friend
    {
        private string name;
        public string Name
        {
            get { return name; }
            set { name = value; }
        }
        public Friend(string name)
        {
            this.name = name;
        }
    }

    /// <summary>
    ///   朋友集合
    /// </summary>
    public class Friends : IEnumerable
    {
        private Friend[] friendarray;

        public Friends()
        {
            friendarray = new Friend[]
            {
                new Friend("张三"),
                new Friend("李四"),
                new Friend("王五")
            };
        }

        // 索引器
        public Friend this[int index]
        {
            get { return friendarray[index]; }
        }

        public int Count
        {
            get { return friendarray.Length; }
        }

        // C# 2.0中简化迭代器的实现
        public IEnumerator GetEnumerator()
        {
            for (int index = 0; index < friendarray.Length; index++)
            {
                // 这样就不需要额外定义一个FriendIterator迭代器来实现IEnumerator
                // 在C# 2.0中只需要使用下面语句就可以实现一个迭代器
                yield return friendarray[index];
            }
        }
    }
}

　　在上面代码中有一个yield return 语句，这个语句的作用就是告诉编译器GetEnumerator方法不是一个普通的方法，而是实现一个迭代器的方法，当编译器看到yield return语句时，编译器知道需要实现一个迭代器,所以编译器生成中间代码时为我们生成了一个IEnumerator接口的对象,大家可以通过Reflector工具进行查看,下面是通过Reflector工具得到一张截图:

　　从上面截图可以看出,yield return 语句其实是C#中提供的另一个语法糖，简化我们实现迭代器的源代码，把具体实现复杂迭代器的过程交给编译器帮我们去完成，看来C#编译器真是做得非常人性化，把复杂的工作留给自己做,让我们做一个简单的工作就好了。

四、迭代器的执行过程

 为了让大家更好的理解迭代器,下面列出迭代器的执行流程:

五、迭代器的延迟计算

　　从第四部分中迭代器的执行过程中可以知道迭代器是延迟计算的, 因为迭代的主体在MoveNext()中实现（因为在MoveNext()方法中访问了集合中的当前位置的元素），Foreach中每次遍历执行到in的时候才会调用MoveNext()方法，所以迭代器可以延迟计算,下面通过一个示例来演示迭代器的延迟计算:

namespace 迭代器延迟计算Demo
{
    class Program
    {
        /// <summary>
        ///  演示迭代器延迟计算
        /// </summary>
        /// <param name="args"></param>
        static void Main(string[] args)
        {
            // 测试一
            //WithIterator();
            //Console.Read();

            // 测试二
            //WithNoIterator();
            //Console.Read();

            // 测试三
            foreach (int j in WithIterator())
            {
                Console.WriteLine("在main输出语句中，当前i的值为：{0}", j);
            }

            Console.Read();
        }

        public static IEnumerable<int> WithIterator()
        {
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                Console.WriteLine("在WithIterator方法中的, 当前i的值为：{0}", i);
                if (i > 1)
                {
                    yield return i;
                }
            }
        }

        public static IEnumerable<int> WithNoIterator()
       {
           List<int> list = new List<int>();
           for (int i = 0; i < 5; i++)
           {
               Console.WriteLine("当前i的值为：{0}", i);
               if (i > 1)
               {
                   list.Add(i);
               }
           }

           return list;
       }
    }
}

当运行测试一的代码时,控制台中什么都不输出,原因是生成的迭代器延迟了i 值的输出，大家可以用Reflector工具反编译出编译器生成的中间语言代码就可以发现原因了,下面是一张截图:

从图中可以看出,WithIterator()被编译成下面的代码了(此时编译器把我们自己方法体写的代码给改了):

public static IEnumerable<int> WithIterator()
{
       return new <WithIterator>d_0(-2);  
}

　　从而当我们测试一的代码中调用WithIterator()时，对于编译器而言,就是实例化了一个<WithIterator>d_0的对象(<WithIterator>d_0类是编译看到WithIterator方法中包含Yield return 语句生成的一个迭代器类)，所以运行测试一的代码时，控制台中什么都不输出。

当运行测试二的代码时，运行结果就如我们期望的那样输出(这里的运行结果就不解释了，列出来是为了更好说明迭代器的延迟计算)：

当我们运行测试三的代码时，运行结果就有点让我们感到疑惑了， 下面先给出运行结果截图，然后在分析原因。

可能刚开始看到上面的结果很多人会有疑问,为什么2,3,4会运行两次的呢?下面具体为大家分析下为什么会有这样的结果。

测试代码三中通过foreach语句来遍历集合时，当运行in的时候就会运行IEnumerator.MoveNext()方法，下面是上面代码的MoveNext()方法的代码截图：

　　从截图中可以看到有Console.WriteLine()语句，所以用foreach遍历的时候才会有结果输出(主要是因为foreach中in 语句调用了MoveNext()方法)，至于为什么2,3,4会运行两行,主要是因为这里有两个输出语句,一个是WithIterator方法体内for语句中的输出语句,令一个是Main函数中对WithIterator方法返回的集合进行迭代的输出语句，在代码中都有明确指出，相信大家经过这样的解释后就不难理解测试三的运行结果了。

六、小结

　　本专题主要介绍了C# 2.0中通过yield return语句对迭代器实现的简化,然而对于编译器而言，却没有简化，它同样生成了一个类去实现IEnumerator接口，只是我们开发人员去实现一个迭代器得到了简化而已。希望通过本专题，大家可以对迭代器有一个进一步的认识，并且迭代器的延迟计算也是Linq的基础，本专题之后将会和大家介绍C# 3.0中提出的新特性，然而C# 3.0中提出来的Lambda,Linq可以说是彻底改变我们编码的风格,后面的专题中将会和大家一一分享我所理解C# 3.0 中的特性。

 

附件：源程序代码：https://files.cnblogs.com/zhili/%E8%BF%AD%E4%BB%A3%E5%99%A8Demo.zip

 破解版的Reflector工具：https://files.cnblogs.com/zhili/Reflector.zip