C# Foreach 循环本质和枚举器
对于C#里面的Foreach学过 语言的人都知道怎么用,但是其原理相信很多人和我一样都没有去深究。刚回顾泛型讲到枚举器让我联想到了Foreach的实现,所以进行一番探究,有什么不对或者错误的地方大家多多斧正。
1、创建一个控制台应用程序
2、编写测试代码并分析
在Program类中写一个foreach循环
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
List peopleList = new List() { "张三", "李四", "王五" };
foreach (string people in peopleList)
{
Console.WriteLine(people);
}
Console.ReadKey();
}
}
生成项目将项目编译后在debug目录下用Reflection反编译ForeachTest.exe程序集后查看Program类的IL代码,IL代码如下:
1 .class private auto ansi beforefieldinit Program
2 extends [mscorlib]System.Object
3 {
4 .method public hidebysig specialname rtspecialname instance void .ctor() cil managed
5 {
6 .maxstack 8
7 L_0000: ldarg.0
8 L_0001: call instance void [mscorlib]System.Object::.ctor()
9 L_0006: ret
10 }
11
12 .method private hidebysig static void Main(string[] args) cil managed
13 {
14 .entrypoint
15 .maxstack 2
16 .locals init (
17 [0] class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<string> list,
18 [1] string str,
19 [2] class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<string> list2,
20 [3] valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator`0<string> enumerator,
21 [4] bool flag)
22 L_0000: nop
23 L_0001: newobj instance void [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<string>::.ctor()
24 L_0006: stloc.2
25 L_0007: ldloc.2
26 L_0008: ldstr "u5f20u4e09"
27 L_000d: callvirt instance void [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<string>::Add(!0)
28 L_0012: nop
29 L_0013: ldloc.2
30 L_0014: ldstr "u674eu56db"
31 L_0019: callvirt instance void [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<string>::Add(!0)
32 L_001e: nop
33 L_001f: ldloc.2
34 L_0020: ldstr "u738bu4e94"
35 L_0025: callvirt instance void [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<string>::Add(!0)
36 L_002a: nop
37 L_002b: ldloc.2
38 L_002c: stloc.0
39 L_002d: nop
40 L_002e: ldloc.0
41 L_002f: callvirt instance valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator`0<!0> [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<string>::GetEnumerator()
42 L_0034: stloc.3
43 L_0035: br.s L_0048
44 L_0037: ldloca.s enumerator
45 L_0039: call instance !0 [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator`0<string>::get_Current()
46 L_003e: stloc.1
47 L_003f: nop
48 L_0040: ldloc.1
49 L_0041: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
50 L_0046: nop
51 L_0047: nop
52 L_0048: ldloca.s enumerator
53 L_004a: call instance bool [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator`0<string>::MoveNext()
54 L_004f: stloc.s flag
55 L_0051: ldloc.s flag
56 L_0053: brtrue.s L_0037
57 L_0055: leave.s L_0066
58 L_0057: ldloca.s enumerator
59 L_0059: constrained. [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator`0<string>
60 L_005f: callvirt instance void [mscorlib]System.IDisposable::Dispose()
61 L_0064: nop
62 L_0065: endfinally
63 L_0066: nop
64 L_0067: call valuetype [mscorlib]System.ConsoleKeyInfo [mscorlib]System.Console::ReadKey()
65 L_006c: pop
66 L_006d: ret
67 .try L_0035 to L_0057 finally handler L_0057 to L_0066
68 }
69 }
在反编译的IL代码中我们看到除了构建List和其他输出,然后多了三个方法:GetEnumerator(),get_Current() ,MoveNext() ,于是通过反编译reflector查看List泛型类,在List里面找到GetEnumerator方法是继承自接口IEnumerable 的方法,List实现的GetEnumerator方法代码
public Enumerator GetEnumerator() => new Enumerator((List) this);
即返回一个Enumerator泛型类,然后传入的参数是List泛型自己 this。接下来查看 Enumerator<T>泛型类
[Serializable, StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
public struct Enumerator : IEnumerator<T>, IDisposable, IEnumerator
{
private List<T> list;
private int index;
private int version;
private T current;
internal Enumerator(List<T> list)
{
this.list = list;
this.index = 0;
this.version = list._version;
this.current = default(T);
}
public void Dispose()
{
}
public bool MoveNext()
{
List<T> list = this.list;
if ((this.version == list._version) && (this.index < list._size))
{
this.current = list._items[this.index];
this.index++;
return true;
}
return this.MoveNextRare();
}
private bool MoveNextRare()
{
if (this.version != this.list._version)
{
ThrowHelper.ThrowInvalidOperationException(ExceptionResource.InvalidOperation_EnumFailedVersion);
}
this.index = this.list._size + 1;
this.current = default(T);
return false;
}
public T Current =>
this.current;
object IEnumerator.Current
{
get
{
if ((this.index == 0) || (this.index == (this.list._size + 1)))
{
ThrowHelper.ThrowInvalidOperationException(ExceptionResource.InvalidOperation_EnumOpCantHappen);
}
return this.Current;
}
}
void IEnumerator.Reset()
{
if (this.version != this.list._version)
{
ThrowHelper.ThrowInvalidOperationException(ExceptionResource.InvalidOperation_EnumFailedVersion);
}
this.index = 0;
this.current = default(T);
}
}
我们看到这个Enumerator<T>泛型类实现了接口IEnumerator的方法,也就是我们测试的ForeachTest程序集反编译后IL代码中出现的get_Current() ,MoveNext() 方法。所以foreach实际上是编译器编译后先调用GetEnumerator方法返回Enumerator的实例,这个实例即是一个枚举器实例。通过MoveNext方法移动下标来查找下一个list元素,get_Current方法获取当前查找到的元素,Reset方法是重置list。
3、总结
因此要使用Foreach遍历的对象是继承了IEnumerable接口然后实现GetEnumerator方法。返回的实体对象需要继承IEnumerator接口并实现相应的方法遍历对象。因此Foreach的另一种写法如下。
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print dir; print bytes; print xA; print xB; main Printf函数通过F#的反射机制和.NET的ToString方法来解析“%A”模式,适用于任何类型的值,也可以通过F#中的print_any和print_to_string函数来完成类似的功能。值和函数(Values and Functions) 在F#中函数也是值,F#处理它们的语法也是类似的。 let n = 10let add a b = a + blet addFour = add 4let result = addFour n printfn "result = %i" result 可以看到定义值n和函数add的语法很类似,只不过add还有两个参数。对于add来说a + b的值自动作为其返回值,也就是说在F#中我们不需要显式地为函数定义返回值。对于函数addFour来说,它定义在add的基础上,它只向add传递了一个参数,这样对于不同的参数addFour将返回不同的值。考虑数学中的函数概念,F(x, y) = x + y,G(y) = F(4, y),实际上G(y) = 4 + y,G也是一个函数,它接收一个参数,这个地方是不是很类似?这种只向函数传递部分参数的特性称为函数的柯里化(curried function)。 当然对某些函数来说,传递部分参数是无意义的,此时需要强制提供所有参数,可是将参数括起来,将它们转换为元组(tuple)。下面的例子将不能编译通过: let sub(a, b) = a - blet subFour = sub 4 必须为sub提供两个参数,如sub(4, 5),这样就很像C#中的方法调用了。 对于这两种方式来说,前者具有更高的灵活性,一般可优先考虑。 如果函数的计算过程中需要定义一些中间值,我们应当将这些行进行缩进: let halfWay a b = let dif = b - a let mid = dif / 2 mid + a 需要注意的是,缩进时要用空格而不是Tab,如果你不想每次都按几次空格键,可以在VS中设置,将Tab字符自动转换为空格;虽然缩进的字符数没有限制,但一般建议用4个空格。而且此时一定要用在文件开头添加#light指令。作用域(Scope)作用域是编程语言中的一个重要的概念,它表示在何处可以访问(使用)一个标识符或类型。所有标识符,不管是函数还是值,其作用域都从其声明处开始,结束自其所处的代码块。对于一个处于最顶层的标识符而言,一旦为其赋值,它的值就不能修改或重定义了。标识符在定义之后才能使用,这意味着在定义过程中不能使用自身的值。 let defineMessage = let message = "Help me" print_endline message // error 对于在函数内部定义的标识符,一般而言,它们的作用域会到函数的结束处。 但可使用let关键字重定义它们,有时这会很有用,对于某些函数来说,计算过程涉及多个中间值,因为值是不可修改的,所以我们就需要定义多个标识符,这就要求我们去维护这些标识符的名称,其实是没必要的,这时可以使用重定义标识符。但这并不同于可以修改标识符的值。你甚至可以修改标识符的类型,但F#仍能确保类型安全。所谓类型安全,其基本意义是F#会避免对值的错误操作,比如我们不能像对待字符串那样对待整数。这个跟C#也是类似的。 let changeType = let x = 1 let x = "change me" let x = x + 1 print_string x 在本例的函数中,第一行和第二行都没问题,第三行就有问题了,在重定义x的时候,赋给它的值是x + 1,而x是字符串,与1相加在F#中是非法的。 另外,如果在嵌套函数中重定义标识符就更有趣了。 let printMessages = let message = "fun value" printfn "%s" message; let innerFun = let message = "inner fun value" printfn "%s" message innerFun printfn "%s" message printMessages 打印结果: fun value inner fun valuefun value 最后一次不是inner fun value,因为在innerFun仅仅将值重新绑定而不是赋值,其有效范围仅仅在innerFun内部。递归(Recursion)递归是编程中的一个极为重要的概念,它表示函数通过自身进行定义,亦即在定义处调用自身。在FP中常用于表达命令式编程的循环。很多人认为使用递归表示的算法要比循环更易理解。 使用rec关键字进行递归函数的定义。看下面的计算阶乘的函数: let rec factorial x = match x with | x when x < 0 -> failwith "value must be greater than or equal to 0" | 0 -> 1 | x -> x * factorial(x - 1) 这里使用了模式匹配(F#的一个很棒的特性),其C#版本为: public static long Factorial(int n) { if (n < 0) { throw new ArgumentOutOfRangeException("value must be greater than or equal to 0"); } if (n == 0) { return 1; } return n * Factorial (n - 1); } 递归在解决阶乘、Fibonacci数列这样的问题时尤为适合。但使用的时候要当心,可能会写出不能终止的递归。匿名函数(Anonymous Function) 定义函数的时候F#提供了第二种方式:使用关键字fun。有时我们没必要给函数起名,这种函数就是所谓的匿名函数,有时称为lambda函数,这也是C#3.0的一个新特性。比如有的函数仅仅作为一个参数传给另一个函数,通常就不需要起名。在后面的“列表”一节中你会看到这样的例子。除了fun,我们还可以使用function关键字定义匿名函数,它们的区别在于后者可以使用模式匹配(本文后面将做介绍)特性。看下面的例子: let x = (fun x y -> x + y) 1 2let x1 = (function x -> function y -> x + y) 1 2let x2 = (function (x, y) -> x + y) (1, 2) 我们可优先考虑fun,因为它更为紧凑,在F#类库中你能看到很多这样的例子。 注意:本文中的代码均在F# 1.9.4.17版本下编写,在F# CTP 1.9.6.0版本下可能不能通过编译。 F#系列随笔索引页面