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C#語言從VB中吸取了一個(gè)非常實(shí)用的foreach語句。對(duì)所有支持IEnumerable接口的類的實(shí)例，foreach語句使用統(tǒng)一的接口遍歷其子項(xiàng)，使得以前冗長的for循環(huán)中繁瑣的薄記工作完全由編譯器自動(dòng)完成。支持IEnumerable接口的類通常用一個(gè)內(nèi)嵌類實(shí)現(xiàn)IEnumerator接口，并通過IEnumerable.GetEnumerator函數(shù)，允許類的使用者如foreach語句完成遍歷工作。
這一特性使用起來非常方便，但需要付出一定的代價(jià)。Juval Lowy發(fā)表在MSDN雜志2004年第5期上的Create Elegant Code with Anonymous Methods, Iterators, and Partial Classes一文中，較為詳細(xì)地介紹了C# 2.0中迭代支持和其他新特性。
首先，因?yàn)镮Enumerator.Current屬性是一個(gè)object類型的值，所以值類型(value type)集合在被foreach語句遍歷時(shí)，每個(gè)值都必須經(jīng)歷一次無用的box和unbox操作；就算是引用類型(reference type)集合，在被foreach語句使用時(shí)，也需要有一個(gè)冗余的castclass指令，保障枚舉出來的值進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換的正確性。
以下為引用：
using System.Collections;
public class Tokens : IEnumerable
{
...
Tokens f = new Tokens(...);
foreach (string item in f)
{
Console.WriteLine(item);
}
...
}
上面的簡單代碼被自動(dòng)轉(zhuǎn)換為
以下為引用：
Tokens f = new Tokens(...);
IEnumerator enum = f.GetEnumerator();
try
{
do {
string item = (string)enum.get_Current(); // 冗余轉(zhuǎn)換
Console.WriteLine(item);
} while(enum.MoveNext());
}
finally
{
if(enum is IDisposable) // 需要驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)IEnumerator接口的類是否支持IDisposable接口
{
((IDisposable)enum).Dispose();
}
}
好在C# 2.0中支持了泛型(generic)的概念，提供了強(qiáng)類型的泛型版本IEnumerable定義，偽代碼如下：
以下為引用：
namespace System.Collections.Generic
{
public interface IEnumerable<ItemType>
{
IEnumerator<ItemType> GetEnumerator();
}
public interface IEnumerator<ItemType> : IDisposable
{
ItemType Current{get;}
bool MoveNext();
}
}
這樣一來即保障了遍歷集合時(shí)的類型安全，又能夠?qū)系膶?shí)際類型直接進(jìn)行操作，避免冗余轉(zhuǎn)換，提高了效率。
以下為引用：
using System.Collections.Generic;
public class Tokens : IEnumerable<string>
{
... // 實(shí)現(xiàn) IEnumerable<string> 接口
Tokens f = new Tokens(...);
foreach (string item in f)
{
Console.WriteLine(item);
}
}
上面的代碼被自動(dòng)轉(zhuǎn)換為
以下為引用：
Tokens f = new Tokens(...);
IEnumerator<string> enum = f.GetEnumerator();
try
{
do {
string item = enum.get_Current(); // 無需轉(zhuǎn)換
Console.WriteLine(item);
} while(enum.MoveNext());
}
finally
{
if(enum) // 無需驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)IEnumerator接口的類是否支持IDisposable接口，
// 因?yàn)樗杏删幾g器自動(dòng)生成的IEnumerator接口實(shí)現(xiàn)類都支持
{
((IDisposable)enum).Dispose();
}
}
除了遍歷時(shí)的冗余轉(zhuǎn)換降低性能外，C#現(xiàn)有版本另一個(gè)不爽之處在于實(shí)現(xiàn)IEnumerator接口實(shí)在太麻煩了。通常都是由一個(gè)內(nèi)嵌類實(shí)現(xiàn)IEnumerator接口，而此內(nèi)嵌類除了get_Current()函數(shù)外，其他部分的功能基本上都是相同的，如
以下為引用：
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函數(shù)
{
return t.elements[position];
}
}
}
...
}
內(nèi)嵌類TokenEnumerator的position和Tokens實(shí)際上是每個(gè)實(shí)現(xiàn)IEnumerator接口的類共有的，只是Current屬性的get函數(shù)有所區(qū)別而已。這方面C# 2.0做了很大的改進(jìn)，增加了yield關(guān)鍵字的支持，允許代碼邏輯上的重用。上面冗長的代碼在C# 2.0中只需要幾行，如
以下為引用：
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函數(shù)是一個(gè)C# 2.0支持的迭代塊(iterator block)，通過yield告訴編譯器在什么時(shí)候返回什么值，再由編譯器自動(dòng)完成實(shí)現(xiàn)IEnumerator<string>接口的薄記工作。而yield break語句支持從迭代塊中直接結(jié)束，如
以下為引用：
public IEnumerator<int> GetEnumerator()
{
for(int i = 1;i< 5;i++)
{
yield return i;
if(i > 2)
yield break; // i > 2 時(shí)結(jié)束遍歷
}
}
這樣一來，很容易就能實(shí)現(xiàn)IEnumerator接口，并可以方便地支持在一個(gè)類中提供多種枚舉方式，如
以下為引用：
public class CityCollection
{
string[] m_Cities = {"New York","Paris","London"};
public IEnumerable<string> Reverse
{
get
{
for(int i=m_Cities.Length-1; i>= 0; i--)
yield m_Cities[i];
}
}
}
接下來我們看看如此方便的語言特性背后，編譯器為我們做了哪些工作。以上面那個(gè)支持IEnumerable<string>接口的Tokens類為例，GetEnumerator函數(shù)的代碼被編譯器用一個(gè)類包裝起來，偽代碼如下
以下為引用：
public class Tokens : IEnumerable<string>
{
private sealed class GetEnumerator$00000000__IEnumeratorImpl
: IEnumerator<string>, IEnumerator, IDisposable
{
private int $PC = 0;
private string $_current;
private Tokens <this>;
public int i$00000001 = 0;
// 實(shí)現(xiàn) IEnumerator<string> 接口
string IEnumerator<string>.get_Current()
{
return $_current;
}
bool IEnumerator<string>.MoveNext()
{
switch($PC)
{
case 0:
{
$PC = -1;
i$00000001 = 0;
break;
}
case 1:
{
$PC = -1;
i$00000001++;
break;
}
default:
{
return false;
}
}
if(i$00000001 < <this>.elements.Length)
{
$_current = <this>.elements[i$00000001];
$PC = 1;
return true;
}
else
{
return false;
}
}
// 實(shí)現(xiàn) IEnumerator 接口
void IEnumerator.Reset()
{
throw new Exception();
}
string IEnumerator.get_Current()
{
return $_current;
}
bool IEnumerator.MoveNext()
{
return IEnumerator<string>.MoveNext(); // 調(diào)用 IEnumerator<string> 接口的實(shí)現(xiàn)
}
// 實(shí)現(xiàn) IDisposable 接口
void Dispose()
{
}
}
public IEnumerator<string> GetEnumerator()
{
GetEnumerator$00000000__IEnumeratorImpl impl = new GetEnumerator$00000000__IEnumeratorImpl();
impl.<this> = this;
return impl;
}
}
從上面的偽代碼中我們可以看到，C# 2.0編譯器實(shí)際上維護(hù)了一個(gè)和我們前面實(shí)現(xiàn)IEnumerator接口的TokenEnumerator類非常類似的內(nèi)部類，用來封裝IEnumerator<string>接口的實(shí)現(xiàn)。而這個(gè)內(nèi)嵌類的實(shí)現(xiàn)邏輯，則根據(jù)GetEnumerator定義的yield返回地點(diǎn)決定。
我們接下來看一個(gè)較為復(fù)雜的迭代塊的實(shí)現(xiàn)，支持遞歸迭代(Recursive Iterations)，代碼如下：
以下為引用：
using System;
using System.Collections.Generic;
class Node<T>
{
public Node<T> LeftNode;
public Node<T> RightNode;
public T Item;
}
public class BinaryTree<T>
{
Node<T> m_Root;
public void Add(params T[] items)
{
foreach(T item in items)
Add(item);
}
public void Add(T item)
{
// ...
}
public IEnumerable<T> InOrder
{
get
{
return ScanInOrder(m_Root);
}
}
IEnumerable<T> ScanInOrder(Node<T> root)
{
if(root.LeftNode != null)
{
foreach(T item in ScanInOrder(root.LeftNode))
{
yield item;
}
}
yield root.Item;
if(root.RightNode != null)
{
foreach(T item in ScanInOrder(root.RightNode))
{
yield item;
}
}
}
}
BinaryTree<T>提供了一個(gè)支持IEnumerable<T>接口的InOrder屬性，通過ScanInOrder函數(shù)遍歷整個(gè)二叉樹。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)IEnumerable<T>接口的不是類本身，而是一個(gè)屬性，所以編譯器首先要生成一個(gè)內(nèi)嵌類支持IEnumerable<T>接口。偽代碼如下
以下為引用：
public class BinaryTree<T>
{
private sealed class ScanInOrder$00000000__IEnumeratorImpl<T>
: IEnumerator<T>, IEnumerator, IDisposable
{
BinaryTree<T> <this>;
Node<T> root;
// ...
}
private sealed class ScanInOrder$00000000__IEnumerableImpl<T>
: IEnumerable<T>, IEnumerable
{
BinaryTree<T> <this>;
Node<T> root;
IEnumerator<T> IEnumerable<T>.GetEnumerator()
{
ScanInOrder$00000000__IEnumeratorImpl<T> impl = new ScanInOrder$00000000__IEnumeratorImpl<T>();
impl.<this> = this.<this>;
impl.root = this.root;
return impl;
}
IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
{
ScanInOrder$00000000__IEnumeratorImpl<T> impl = new ScanInOrder$00000000__IEnumeratorImpl<T>();
impl.<this> = this.<this>;
impl.root = this.root;
return impl;
}
}
IEnumerable<T> ScanInOrder(Node<T> root)
{
ScanInOrder$00000000__IEnumerableImpl<T> impl = new ScanInOrder$00000000__IEnumerableImpl<T>();
impl.<this> = this;
impl.root = root;
return impl;
}
}
因?yàn)镾canInOrder函數(shù)內(nèi)容需要用到root參數(shù)，故而IEnumerable<T>和IEnumerator<T>接口的包裝類都需要有一個(gè)root字段，保存?zhèn)魅隨canInOrder函數(shù)的參數(shù)，并傳遞給最終的實(shí)現(xiàn)函數(shù)。
實(shí)現(xiàn)IEnumerator<T>接口的內(nèi)嵌包裝類ScanInOrder$00000000__IEnumeratorImpl<T>實(shí)現(xiàn)原理與前面例子里的大致相同，不同的是程序邏輯大大復(fù)雜化，并且需要用到IDisposable接口完成資源的回收。
以下為引用：
public class BinaryTree<T>
{
private sealed class GetEnumerator$00000000__IEnumeratorImpl
: IEnumerator<T>, IEnumerator, IDisposable
{
private int $PC = 0;
private string $_current;
private Tokens <this>;
public int i$00000001 = 0;
public IEnumerator<T> __wrap$00000003;
public IEnumerator<T> __wrap$00000004;
public T item$00000001;
public T item$00000002;
public Node<T> root;
// 實(shí)現(xiàn) IEnumerator<T> 接口
string IEnumerator<T>.get_Current()
{
return $_current;
}
bool IEnumerator<T>.MoveNext()
{
switch($PC)
{
case 0:
{
$PC = -1;
if(root.LeftNode != null)
{
__wrap$00000003 = <this>.ScanInOrder(root.LeftNode).GetEnumerator();
goto ScanLeft;
}
else
{
goto GetItem;
}
}
case 1:
{
return false;
}
case 2:
{
goto ScanLeft;
}
case 3:
{
$PC = -1;
if(root.RightNode != null)
{
__wrap$00000004 = <this>.ScanInOrder(root.RightNode).GetEnumerator();
goto ScanRight;
}
else
{
return false;
}
break;
}
case 4:
{
return false;
}
case 5:
{
goto ScanRight;
}
default:
{
return false;
}
ScanLeft:
$PC = 1;
if(__wrap$00000003.MoveNext())
{
$_current = item$00000001 = __wrap$00000003.get_Current();
$PC = 2;
return true;
}
GetItem:
$PC = -1;
if(__wrap$00000003 != null)
{
((IDisposable)__wrap$00000003).Dispose();
}
$_current = root.Item;
$PC = 3;
return true;
ScanRight:
$PC = 4;
if(__wrap$00000004.MoveNext())
{
$_current = $item$00000002 = __wrap$00000004.get_Current();
$PC = 5;
return true;
}
else
{
$PC = -1;
if(__wrap$00000004 != null)
{
((IDisposable)__wrap$00000004).Dispose();
}
return false;
}
}
// 實(shí)現(xiàn) IDisposable 接口
void Dispose()
{
switch($PC)
{
case 1:
case 2:
{
$PC = -1;
if(__wrap$00000003 != null)
{
((IDisposable)__wrap$00000003).Dispose();
}
break;
}
case 4:
case 5:
{
$PC = -1;
if(__wrap$00000004 != null)
{
((IDisposable)__wrap$00000004).Dispose();
}
break;
}
}
}
}
}
通過上面的偽代碼，我們可以看到，C# 2.0實(shí)際上是通過一個(gè)以$PC為自變量的有限狀態(tài)機(jī)完成的遞歸迭代塊，這可能是因?yàn)橛邢逘顟B(tài)機(jī)可以很方便地通過程序自動(dòng)生成吧。而Dispose()函數(shù)則負(fù)責(zé)處理狀態(tài)機(jī)的中間變量。
有興趣進(jìn)一步了解迭代特性的朋友，可以到Grant Ri的BLog上閱讀Iterators相關(guān)文章。
在了解了Iterators的實(shí)現(xiàn)原理后，再看那些討論就不會(huì)被其表象所迷惑了 :D
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