[.NET]快快樂樂學LINQ系列前哨戰－IEnumerable, IEnumerator, yield, Iterator

2012-05-10

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快快樂樂學LINQ系列
2012-08-11

前言

LINQ的基礎，牽扯到幾個長的很像的東西，例如IEnumerable, Enumerable, IEnumerator, 還加上對應的泛型介面IEnumerable<T>, IEnumerator<T>，還有IEnumerable裡面的方法GetEnumerator()會回傳IEnumerator，IEnumerable<T>裡面的方法GetEnumerator()則會回傳IEnumerator<T>。

這幾個東西到底是在搞什麼鬼，在這篇文章以及下篇文章，希望透過文章的介紹，可以讓讀者更瞭解它們之間的關係。

關係圖

先用一張簡單的圖來說明foreach, IEnumerable, IEnumerable<T>, IEnumerator與IEnumerator<T>的關係。

接下來將先逐一說明foreach的相關原理。

說明

有寫過程式的朋友，幾乎一定用過foreach迴圈來針對某一個物件集合，進行逐一巡覽的動作，而且覺得這樣的程式再自然不過了。但是，其實foreach幫忙簡化了很多的動作，我們來看透过IL看C# (3)-foreach语句這篇文章所提到的兩段程式碼。

第一段是foreach的sample：

static void Test(ICollection<int> values)
{
    foreach(int i in values)
        Console.WriteLine(i);
}

接下來是這個Test方法的IL程式碼：

.method private hidebysig static void  Test(class [mscorlib]System.Collections.Generic.ICollection`1<int32> values) cil managed
{
  // 代码大小       55 (0x37)
  .maxstack  2
  .locals init (int32 V_0,    // i
           class [mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerator`1<int32> V_1,
           bool V_2)
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  nop
  
  // V_1 = (IEnumerator<int>)values.GetEnumerator()
  IL_0002:  ldarg.0
  IL_0003:  callvirt   instance class [mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerator`1<!0> class [mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerable`1<int32>::GetEnumerator()
  IL_0008:  stloc.1
  
  .try
  {
    // goto IL_0019
    IL_0009:  br.s       IL_0019
    
    // V_0 = V_1.Current
    IL_000b:  ldloc.1
    IL_000c:  callvirt   instance !0 class [mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerator`1<int32>::get_Current()
    IL_0011:  stloc.0
    
    // Console.WriteLine(V_0)
    IL_0012:  ldloc.0
    IL_0013:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
    IL_0018:  nop
    
    // V_2 = V_1.MoveNext()
    IL_0019:  ldloc.1
    IL_001a:  callvirt   instance bool [mscorlib]System.Collections.IEnumerator::MoveNext()
    IL_001f:  stloc.2
    
    // if(V_2) goto IL_000b else goto IL_0035 //(IL_0035===ret)
    IL_0020:  ldloc.2
    IL_0021:  brtrue.s   IL_000b
    IL_0023:  leave.s    IL_0035
  }  // end .try
  finally
  {
    // if(V_1 != null) V_1.Dispose()
    IL_0025:  ldloc.1
    IL_0026:  ldnull
    IL_0027:  ceq
    IL_0029:  stloc.2
    IL_002a:  ldloc.2
    IL_002b:  brtrue.s   IL_0034
    IL_002d:  ldloc.1
    IL_002e:  callvirt   instance void [mscorlib]System.IDisposable::Dispose()
    IL_0033:  nop
    IL_0034:  endfinally
  }  // end handler
  IL_0035:  nop
  IL_0036:  ret
} // end of method Program::Test

看不懂IL程式碼，沒關係，上面的註解寫得相當清楚，請讀者把前面關係圖裡面的關鍵字找出來即可。

簡單的說，foreach的in所使用的物件，必須實作IEnumerable或IEnumerable<T>。

為什麼in所使用的物件，必須實作IEnumerable呢？在這例子中，foreach的底層運作，

從IL上第11行的註解可以看到，會先去呼叫values.GetEnumerator()這個IEnumerable介面上所宣告的方法，取得IEnumerator<int>放到V_1中。
接著21行中，會取得IEnumerator<T>的Current屬性，得到目前的項目。
接著26行，指的是進入foreach迴圈的本體，也就是Test方法那段sample 的第4行：Console.WriteLine(i);
迴圈本體執行完後，第31行可以看到，呼叫IEnumerator<int>的MoveNext()方法，這時values集合中的index會指到下一個項目的index，並得到一個bool值。bool若為true，則代表還有下一個項目。
若MoveNext()方法得到的結果為true，則goto IL_000b，也就是第22行，也就是所謂的下一圈迴圈。若為false，則跳到IL_0035，也就是第55行。跳出/結束迴圈。

透過上面簡單的說明，可以瞭解到foreach的逐一巡覽，其實幫我們隱藏了IEnumerator的相關動作。

而我們常用到的集合結構，例如ICollection, IDictionary, IList, 以及其泛型介面，實作的類別，以及實作的泛型類別，都有實作IEnumerable或IEnumerable<T>，所以這些集合都可以透過foreach來展開逐一巡覽的動作。

然而，那又如何？foreach本來就是這樣用了，多瞭解了背後運作原理，~~相信我，十年後我連IEnumerator怎麼拼都不會拼，我還是可以活的好好的。~~跟yield有什麼關係呢？

只有用.net framework內建的類別，當然看不太出來，因為最麻煩的是在：

每一個想要被foreach逐一巡覽的類別，都要實作IEnumerable介面，實作GetEnumerator方法。
接下來還要自己新增一個類別，來實作IEnumerator介面，並且實作MoveNext(), Reset()與Current屬性，以供GetEnumerator方法回傳。

到這邊，是不是覺得很麻煩，而且覺得怎麼可能需要這麼麻煩？可以參考一下Clark的[.NET] Lazy Row Mapping這篇文章，這個時候讀者應該就可以看懂，那一堆IEnumerator<T>跟IEnumerable<T>是在幹嘛了。文章的中間有提到，可以透過yield來實作這堆麻煩事，接下來，就來介紹yield可以幫我們省掉什麼麻煩。而在講yield之前，要先說明一下什麼是Iterator。

Iterator與yield

先來看MSDN很重要的兩句話：

1. 您只要提供 Iterator，它會只往返於類別中的資料結構。當編譯器偵測到您的 Iterator 時，它會自動產生 IEnumerable 或 IEnumerable<T> 介面的 Current、MoveNext 和 Dispose 方法。

2. Iterator 程式碼會使用 yield return 陳述式輪流傳回各元素。yield break 則會結束反覆運算。

針對第一點最後的描述，個人覺得MSDN上說的不夠清楚，應該是：『它會自動產生IEnumerable或IEnumerable<T>介面中，GetEnumerator方法裡面取得的IEnumerator或IEnumerator<T>介面中的Current、MoveNext和Dispose方法。』不曉得是我誤解字面上的意思，還是筆誤，還是太繞口了。

接著來看MSDN上，Iterator使用yield return來完成IEnumerable介面的GetEnumrator方法內容。

使用yield：

public class DaysOfTheWeek : System.Collections.IEnumerable
{
    string[] m_Days = { "Sun", "Mon", "Tue", "Wed", "Thr", "Fri", "Sat" };

    public System.Collections.IEnumerator GetEnumerator()
    {
        for (int i = 0; i < m_Days.Length; i++)
        {
            yield return m_Days[i];
        }
    }
}

class TestDaysOfTheWeek
{
    static void Main()
    {
        // Create an instance of the collection class
        DaysOfTheWeek week = new DaysOfTheWeek();

        // Iterate with foreach
        foreach (string day in week)
        {
            System.Console.Write(day + " ");
        }
    }
}

這樣似乎看不太出來，yield return做了什麼事，這邊我用一模一樣的例子，簡單地模擬一下如果沒有yield，程式碼會變得多麻煩：

    public class DaysOfTheWeek : IEnumerable
    {
        private string[] m_Days = { "Sun", "Mon", "Tue", "Wed", "Thr", "Fri", "Sat" };

        public IEnumerator GetEnumerator()
        {
            var result = new DaysOfTheWeek_Enumerator(m_Days);
            return result;
        }
    }

    //要自己新增一個class，並且實作Current, MoveNext, Reset
    //若是透過yield來處理，則省了一個class，以及逐一巡覽的實作過程
    public class DaysOfTheWeek_Enumerator : IEnumerator
    {
        private int index = -1;
        private string[] m_Days;

        public DaysOfTheWeek_Enumerator(string[] days)
        {
            m_Days = days;
        }

        public object Current
        {
            get { return m_Days[index]; }
        }

        public bool MoveNext()
        {
            index++;
            return (index < m_Days.Length);
        }

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

    internal class TestDaysOfTheWeek
    {
        private static void Main()
        {
            // Create an instance of the collection class
            DaysOfTheWeek week = new DaysOfTheWeek();

            // Iterate with foreach
            foreach (string day in week)
            {
                System.Console.Write(day + " ");
            }
        }
    }

順便補充一下，Iterator其實是一種design pattern，有興趣的朋友可以參考一下：Iterator Pattern。

還有，MSDN上有提到yield return的回傳型別種類：

Iterator 的傳回型別必須是 IEnumerable、IEnumerator、IEnumerable<T> 或 IEnumerator<T>。

yield 範例

這邊透過範例，來讓讀者朋友瞭解到，iterator在使用yield return 和yield break，與foreach展開IEnumerable物件的關係與順序性。

    internal class Program
    {
        private static IEnumerable<string> GetEnumeratorFromDays(string[] days)
        {
            foreach (var day in days)
            {
                Console.WriteLine("yield return前, 準備回傳day為:{0}", day);
                if (day == "3")
                {
                    Console.WriteLine("day為3，呼叫yield break");
                    yield break;
                }

                yield return day;
                Console.WriteLine("yield下一行, 準備回傳day為:{0}", day);
            }
        }

        private static void Main(string[] args)
        {
            string[] days = { "0", "1", "2", "3", "4", "5", "6" };

            var result = GetEnumeratorFromDays(days);

            foreach (var item in result)
            {
                Console.WriteLine("實際展開的result item:{0}", item);
                Console.WriteLine("item:{0}處理完畢，準備跳下一個item", item);
                Console.WriteLine();
            }

            Console.WriteLine("結束result");
        }
    }

先來看一下結果：

重點：

要建立一個IEnumerable<T>的資料集合，只要使用yield return就可以輕鬆達成。
而yield return這次的項目後，下一次被呼叫時，會接著從剛剛yield return後開始執行，而不是GetEnumeratorFromDays()重頭執行唷。
呼叫yield break後，會直接結束foreach迴圈，就類似於Iterator的break。

結論

本來只是想快快樂樂的說一下yield return與yield break的用法，沒想到一路帶回到foreach的基本知識。不曉得會不會違背了原本快快樂樂的主題。

但越簡單的東西，真的越難說明白。

讀者朋友們也可以算一下，自己用過了多少次的foreach，MSDN上也都有相關的資料，但您真的有去瞭解背後的原理嗎？

最後，用.NET開發是幸福的，因為這種繁瑣、重複的動作，都被幫忙處理掉了。至於變成一位.NET工程師，會不會可悲，會不會根本沒去瞭解背後的運作原理，就看各位自己的學習心態囉。

Reference

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