C#2.0語言規(guī)范（四）迭代器

2024-07-21 02:19:46

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供稿：網(wǎng)友

4.1 迭代器塊
一個(gè)迭代器塊（iterator block）是一個(gè)能夠產(chǎn)生有序的值序列的塊。迭代器塊和普通語句塊的區(qū)別就是其中出現(xiàn)的一個(gè)或多個(gè)yield語句。

yield return語句產(chǎn)生迭代的下一個(gè)值。
yield break語句表示迭代完成。
只要相應(yīng)的函數(shù)成員的返回值類型是一個(gè)枚舉器接口（見4.1.1）或是一個(gè)可枚舉接口（見4.1.2），一個(gè)迭代器塊就可以用作方法體、運(yùn)算符體或訪問器體。

迭代器塊并不是c#語法中的獨(dú)立元素。它們受多種因素的制約，并且對函數(shù)成員聲明的語義有很大影響，但在語法上它們只是塊（block）。

當(dāng)一個(gè)函數(shù)成員用一個(gè)迭代器塊來實(shí)現(xiàn)時(shí)，如果函數(shù)成員的形式參數(shù)列表指定了ref或out參數(shù)，則會(huì)引起編譯錯(cuò)誤。

如果在迭代器塊中出現(xiàn)了return語句，則會(huì)因此編譯錯(cuò)誤（但yield return語句是允許的）。

如果迭代器塊包含不安全上下文，則會(huì)引起編譯錯(cuò)誤。一個(gè)迭代器塊必須定義在一個(gè)安全的上下文中，即使它的聲明嵌套在一個(gè)不安全上下文中。

4.1.1 枚舉器接口
枚舉器（enumerator）接口包括非泛型接口system.collections.ienumerator和泛型接口system.collections.generic.ienumerator<t>的所有實(shí)例化。在這一章中，這些接口將分別稱作ienumerator和ienumerator<t>。

4.1.2 可枚舉接口
可枚舉（enumerable）接口包括非泛型接口system.collections.ienumerable和泛型接口system.collections.generic.ienumerable<t>。在這一章中，這些接口分別稱作ienumerable和ienumerable<t>。

4.1.3 生成類型
一個(gè)迭代器塊能夠產(chǎn)生一個(gè)有序的值序列，其中所有的制具有相同的類型。這個(gè)類型稱為迭代器塊的生成類型（yield type）。

用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)返回ienumerator或ienumerable的函數(shù)成員的迭代器塊的生成類型為object。
用于是下一個(gè)返回ienumerator<t>或ienumerable<t>的函數(shù)成員的迭代器塊的生成類型為t。
4.1.4 this訪問
在一個(gè)類的一個(gè)實(shí)例成員中的迭代器塊里，表達(dá)式this是一個(gè)值。這個(gè)值的類型就是出現(xiàn)這種用法的類，并且它是對被調(diào)用的方法所在的對象的一個(gè)引用。

在一個(gè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例成員中的迭代器塊里，表達(dá)式this是一個(gè)變量。這個(gè)變量的類型就是出現(xiàn)這種用法的結(jié)構(gòu)。這個(gè)變量存貯了對被調(diào)用成員所在結(jié)構(gòu)的一個(gè)拷貝。結(jié)構(gòu)的實(shí)例成員中的迭代器塊里的this變量和以該結(jié)構(gòu)為類型的值變量完全一樣。

4.2 enumerator對象
如果一個(gè)函數(shù)成員使用了迭代器塊來返回一個(gè)枚舉器接口類型，對該函數(shù)成員的調(diào)用不會(huì)立即執(zhí)行迭代器塊中的代碼，而是建立并返回一個(gè)枚舉器對象。這個(gè)對象封裝了迭代器塊中指定的代碼，而對迭代器中指定的代碼的執(zhí)行發(fā)生在調(diào)用該枚舉器對象的movenext()方法時(shí)。一個(gè)枚舉器對象具有如下特征：

它實(shí)現(xiàn)了ienumerator和ienumerator<t>，這里t是迭代器塊的生成類型。
它實(shí)現(xiàn)了system.idisposable。
它用傳遞給函數(shù)成員的參數(shù)值（如果有的話）和實(shí)例值進(jìn)行初始化。
它有四個(gè)可能的狀態(tài)：before、running、suspended和after，其初始狀態(tài)為before。
典型的枚舉器對象是由編譯器自動(dòng)生成的封裝了迭代器塊中的代碼并實(shí)現(xiàn)了枚舉器接口的枚舉器類的實(shí)例，但其他的實(shí)現(xiàn)也是允許的。如果一個(gè)枚舉器類是由編譯器自動(dòng)生成的，則該類是直接或間接地嵌套在函數(shù)成員中的，具有私有的可訪問性，并且具有一個(gè)由編譯器保留使用的名字。

一個(gè)枚舉器對象可以實(shí)現(xiàn)上面所述之外的其它接口。

后面的幾節(jié)詳細(xì)地描述了由一個(gè)枚舉器對象所實(shí)現(xiàn)的ienumerable和ienumerable<t>接口中的movenext()、current和dispose()成員的確切行為。

注意，枚舉器對象不支持ienumerator.reset()方法。調(diào)用該方法會(huì)拋出system.notsupporteexception異常。

4.2.1 movenext()方法
枚舉器對象的movenext()方法封裝了迭代器塊的代碼。對movenext()方法的調(diào)用執(zhí)行了迭代器塊中的代碼，并為枚舉器對象的current屬性設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)闹怠ovenext()方法完成得確切動(dòng)作取決于調(diào)用movenext()方法是枚舉器對象的狀態(tài)：

如果枚舉器對象的狀態(tài)為before，調(diào)用movenext()方法：
將狀態(tài)設(shè)置為running。
將迭代器塊對象的參數(shù)（包括this）初始化為枚舉器對象初始化時(shí)所保存的變量值和實(shí)例值。
從執(zhí)行迭代器塊的開始執(zhí)行，直到被中斷（將在下面討論）。
如果枚舉器對象的狀態(tài)為running，則調(diào)用movenext()方法的結(jié)果未指定。
如果枚舉器對象的狀態(tài)為suspended，調(diào)用movenext()方法：
將狀態(tài)設(shè)置為running。
將所有局部變量和參數(shù)（包括this）恢復(fù)為迭代器塊執(zhí)行過程中最后一次掛起時(shí)所保存的值。注意這些變量所引用的對象的內(nèi)容在上一次movenext()后可能會(huì)發(fā)生改變。
從上一次執(zhí)行中斷所在的yield return語句繼續(xù)執(zhí)行迭代器塊，直到執(zhí)行再次被中斷（將在下面討論）。
如果枚舉器對象的狀態(tài)為after，調(diào)用movenext()方法將返回false。
當(dāng)movenext()方法執(zhí)行迭代器塊時(shí)，執(zhí)行過程會(huì)通過四種途徑中斷：yield return語句、yield break語句、遇到迭代器塊的結(jié)尾以及迭代器塊中拋出了異常并被傳播到塊外。

當(dāng)遇到y(tǒng)ield return語句（見4.4）時(shí)：
對語句中給定的表達(dá)式進(jìn)行求值，隱式轉(zhuǎn)換為生成類型，并賦給枚舉器對象的current屬性。
掛起迭代器體的執(zhí)行過程。保存所有局部變量和參數(shù)（包括this）的值，以及這個(gè)yield return語句的位置。如果該yield return語句位于一個(gè)或多個(gè)try塊中，則與之相關(guān)聯(lián)的finally塊在此時(shí)還不會(huì)被執(zhí)行。
將枚舉器對象的狀態(tài)設(shè)置為suspended。
向movenext()方法的調(diào)用者返回true，表示迭代已經(jīng)成功地轉(zhuǎn)移到下一個(gè)值上。
當(dāng)遇到y(tǒng)ield break語句（見4.4）時(shí)：
如果該yield break語句位于一個(gè)或多個(gè)try塊中，則執(zhí)行與之相關(guān)聯(lián)的finally塊。
將枚舉器對象的狀態(tài)設(shè)置為after。
向movenext()方法的調(diào)用者返回false，表示迭代完成。
當(dāng)遇到迭代器快的結(jié)尾時(shí)：
將枚舉器對象的狀態(tài)設(shè)置為after。
向movenext()方法的調(diào)用者返回false，表示迭代完成。
當(dāng)?shù)骺靾?bào)出了一個(gè)異常，并傳播到塊外時(shí)：
迭代器塊中適當(dāng)?shù)膄inally塊將被執(zhí)行。
將枚舉器對象的狀態(tài)設(shè)置為after。
將異常傳播給movenext()方法的調(diào)用者。
4.2.2 current屬性
一個(gè)枚舉器對象的current屬性受迭代器塊中的yield return語句的影響。

當(dāng)一個(gè)枚舉器對象處于suspended狀態(tài)時(shí)，current屬性的值由最后一次對movenext()方法的調(diào)用設(shè)置。當(dāng)一個(gè)枚舉器對象處于before、running或after狀態(tài)時(shí)，訪問current屬性的結(jié)果是未定義的。

如果一個(gè)迭代器塊的生成類型不是object，通過枚舉器對象實(shí)現(xiàn)的ienumerable以及相應(yīng)的ienumerator<t>對current的訪問會(huì)將結(jié)果轉(zhuǎn)換為object。

4.2.3 dispose()方法
dispose()方法通過將枚舉器對象的狀態(tài)設(shè)置為after來清除迭代器。

如果枚舉器對象的狀態(tài)為before，調(diào)用dispose()方法將其狀態(tài)設(shè)置為after。
如果枚舉器對象的狀態(tài)為running，調(diào)用dispose()方法的結(jié)果是未定義的。
如果枚舉器對象的狀態(tài)為suspended，調(diào)用dispose()方法：
將狀態(tài)設(shè)置為running。
執(zhí)行所有的finally塊，好像yield return語句是yield break語句一樣。如果這導(dǎo)致了異常被拋出并傳播到迭代器塊外，則將枚舉器對象的狀態(tài)設(shè)置為after并將異常傳播給dispose()方法的調(diào)用者。
將狀態(tài)設(shè)置為after。
如果枚舉器對象的狀態(tài)為after，調(diào)用dispose()方法沒有任何效果。
4.3 enumerable對象
當(dāng)一個(gè)返回一個(gè)可枚舉接口類型的函數(shù)成員使用了迭代器塊時(shí)，對該函數(shù)成員的調(diào)用不會(huì)立即執(zhí)行迭代器塊中的代碼，而是建立并返回一個(gè)可枚舉對象。該可枚舉對象有一個(gè)getenumerator()方法，能夠返回一個(gè)枚舉器對象。該枚舉器對象封裝了迭代器塊中指定的代碼，當(dāng)調(diào)用這個(gè)枚舉器對象的movenext()方法時(shí)，會(huì)執(zhí)行迭代器塊中的代碼。一個(gè)可枚舉對象具有如下特征：

它實(shí)現(xiàn)了ienumerable或ienumerable<t>，這里t是迭代器塊的生成類型。
它用傳遞給函數(shù)成員的參數(shù)值（如果有的話）和實(shí)例值進(jìn)行初始化。
典型的可枚舉對象是由編譯器自動(dòng)生成的封裝了迭代器塊中的代碼并實(shí)現(xiàn)了可枚舉接口的可枚舉類的實(shí)例，但其他的實(shí)現(xiàn)也是允許的。如果一個(gè)可枚舉類是由編譯器自動(dòng)生成的，則該類是直接或間接地嵌套在函數(shù)成員中的，具有私有的可訪問性，并且具有一個(gè)由編譯器保留使用的名字。

一個(gè)可枚舉對象可以實(shí)現(xiàn)上述之外的其它接口。例如，一個(gè)可枚舉對象還可以實(shí)現(xiàn)ienumerator和ienumerator<t>，使得它既是可枚舉的又是一個(gè)枚舉器。這種情況下，當(dāng)可枚舉對象的getenumerator()方法第一次被調(diào)用時(shí)，將返回可枚舉對象本身。以后對可枚舉對象的getenumerator()方法的調(diào)用（如果有的話），將返回可枚舉對象的一個(gè)拷貝。因此，每個(gè)被返回的枚舉器具有其自己的狀態(tài)，并且一個(gè)枚舉器和其它枚舉器互不影響。

4.3.1 getenumerator()方法
一個(gè)可枚舉對象提供了對ienumerator和ienumberator<t>接口的getenumerator()方法的實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)getenumerator()方法共享一個(gè)實(shí)現(xiàn)，能夠獲取并返回一個(gè)有效的枚舉器對象。該枚舉器對象使用可枚舉對象被初始化時(shí)所保存的參數(shù)值和實(shí)例值進(jìn)行初始化，該枚舉器對象的功能如4.2節(jié)所描述。

4.4 yield語句
迭代器塊中的yield語句用于生成一個(gè)值，或發(fā)出一個(gè)迭代完成的信號。

embedded-statement:
...
yield-statement

yield-statement:
yield return expression ;
yield break ;

內(nèi)嵌語句:
...
yield語句

yield語句:
yield return 表達(dá)式 ;
yield break ;

為了保證和現(xiàn)有程序的兼容性，yield并不是一個(gè)保留字，只有當(dāng)一個(gè)return語句緊隨其后時(shí)，yield語句才有這特殊的意義。其它情況下，yield語句可以用作標(biāo)識符。

yield語句的出現(xiàn)首很多限制，如下所描述：

如果一個(gè)yield語句出現(xiàn)在方法體、運(yùn)算符體或訪問器體之外，則會(huì)引起編譯錯(cuò)誤。
如果一個(gè)yield語句出現(xiàn)在匿名方法內(nèi)部，則會(huì)引起編譯錯(cuò)誤。
如果一個(gè)yield語句出現(xiàn)在finally或一個(gè)try塊內(nèi)，則會(huì)引起編譯錯(cuò)誤。
如果一個(gè)yield語句出現(xiàn)在一個(gè)帶有catch語句的try塊內(nèi)，則會(huì)引起編譯錯(cuò)誤。
下面的例子展示了一些yield語句的有效的和無效的用法。

delegate ienumerable<int> d();

ienumerator<int> getenumerator() {
try {
yield return 1; // 正確
yield break; // 正確
}
finally {
yield return 2; // 錯(cuò)誤，yield出現(xiàn)在finally塊中e
yield break; // 錯(cuò)誤，yield出現(xiàn)在finally塊中
}

try {
yield return 3; // 錯(cuò)誤，yield return語句出現(xiàn)在try...catch語句中
yield break; // 正確
}
catch {
yield return 4; // 錯(cuò)誤，yield return語句出現(xiàn)在try...catch語句中
yield break; // 正確
}

d d = delegate {
yield return 5; // 錯(cuò)誤，yield語句出現(xiàn)在匿名方法中
};
}

int mymethod() {
yield return 1; // 錯(cuò)誤，迭代器塊具有錯(cuò)誤的返回值類型
}

從yield return語句中的表達(dá)式的類型到迭代器塊的生成類型（見4.1.3）必存在一個(gè)隱式轉(zhuǎn)換。

yield return語句依照下面的步驟執(zhí)行：

對語句中給定的表達(dá)式進(jìn)行求值，并隱式轉(zhuǎn)換為生成類型，然后賦給枚舉器對象的current屬性。
掛起對迭代器塊的執(zhí)行。如果該yield return語句位于一個(gè)或多個(gè)try塊中，相應(yīng)的finally塊暫時(shí)不會(huì)被執(zhí)行。
movenext()方法向其調(diào)用者返回true，表示枚舉器對象成功地前進(jìn)到下一個(gè)值上。
對枚舉器對象的movenext()方法的下一次調(diào)用將從上一次掛起的地方恢復(fù)對迭代器塊的執(zhí)行。

yield break語句依照下面的步驟執(zhí)行：

如果yield break語句位于一個(gè)或多個(gè)帶有finally塊的try塊中，控制將被轉(zhuǎn)移到最里面的try塊對應(yīng)的finally塊中。當(dāng)控制流程遇到finally塊的結(jié)尾（如果能夠的話），控制將被轉(zhuǎn)移到外一層try塊對應(yīng)的finally塊中。這個(gè)過程持續(xù)到所有try語句對應(yīng)的finally塊都被執(zhí)行完。
將控制返回給迭代器塊的調(diào)用者。這可能從movenext()方法或dispose()方法中返回。
由于一個(gè)yield break語句無條件地將控制轉(zhuǎn)移到其它地方，因此一個(gè)yield break的終點(diǎn)將永遠(yuǎn)不可達(dá)。

4.4.1 明確賦值
對于下面形式的yield return語句：

yield return expr ;

對于一個(gè)變量v，在expr的開始處和語句的開始處有同樣的明確賦值。
如果一個(gè)變量v在expr的結(jié)束處被明確賦值，則它是在語句的結(jié)尾被明確賦值的；否則，它未在語句的結(jié)尾被明確賦值。
4.5 實(shí)例
這一節(jié)將描述標(biāo)準(zhǔn)c#結(jié)構(gòu)中的迭代器可能的實(shí)現(xiàn)。這里描述的實(shí)現(xiàn)是基于和microsoft c#編譯器相同的原則的，但決不是唯一可能的實(shí)現(xiàn)。

下面的stack<t>類使用一個(gè)迭代器實(shí)現(xiàn)了它的getenumerator()方法。該迭代器按照從頂至底的順序枚舉了堆棧中的所有元素。

using system;
using system.collections;
using system.collections.generic;

class stack<t> : ienumerable<t> {
t[] items;
int count;

public void push(t item) {
if (items == null) {
items = new t[4];
}
else if (items.length == count) {
t[] newitems = new t[count * 2];
array.copy(items, 0, newitems, 0, count);
items = newitems;
}
items[count++] = item;
}

public t pop() {
t result = items[--count];
items[count] = t.default;
return result;
}

public ienumerator<t> getenumerator() {
for(int i = count - 1; i >= 0; --i) yield items[i];
}
}

getenumerator()方法可以轉(zhuǎn)換為編譯器自動(dòng)生成的枚舉器類的實(shí)例，它封裝了迭代器塊中指定的代碼，如下所示：

class stack<t> : ienumerable<t> {
...
public ienumerator<t> getenumerator() {
return new __enumerator1(this);
}

class __enumerator1 : ienumerator<t>, ienumerator {
int __state;
t __current;
stack<t> __this;
int i;

public __enumerator1(stack<t> __this) {
this.__this = __this;
}

public t current {
get { return __current; }
}

object ienumerator.current {
get { return __current; }
}

public bool movenext() {
switch (__state) {
case 1: goto __state1;
case 2: goto __state2;
}

i = __this.count - 1;

__loop:
if(i < 0) goto __state2;
__current = __this.items[i];
__state = 1;
return true;

__state1:
--i;
goto __loop;

__state2:
__state = 2;
return false;
}

public void dispose() {
__state = 2;
}

void ienumerator.reset() {
throw new notsupportedexception();
}
}
}

上面的轉(zhuǎn)換中，迭代器塊中的代碼被轉(zhuǎn)換為狀態(tài)機(jī)并放在枚舉器類的movenext()方法中。此外，局部變量i被轉(zhuǎn)換為枚舉器對象的域，因此在對movenext()方法的調(diào)用過程中它將一直存在。

下面的例子打印了整數(shù)1至10的一個(gè)簡單的乘法表。例子中的fromto()方法返回了一個(gè)用迭代器實(shí)現(xiàn)的可枚舉對象。

using system;
using system.collections.generic;

class test {
static ienumerable<int> fromto(int from, int to) {
while(from <= to) yield return from++;
}

static void main() {
ienumerable<int> e = fromto(1, 10);

foreach(int x in e) {
foreach(int y in e) {
console.write("{0,3} ", x * y);
}
console.writeline();
}
}
}

fromto()方法可以被轉(zhuǎn)換為由編譯器自動(dòng)生成的可枚舉類的實(shí)例，它封裝了迭代器塊中的代碼，如下所示：

using system;
using system.threading;
using system.collections;
using system.collections.generic;

class test {
...
static ienumerable<int> fromto(int from, int to) {
return new __enumerable1(from, to);
}

class __enumerable1 : ienumerable<int>, ienumerable, ienumerator<int>, ienumerator {
int __state;
int __current;
int __from;
int from;
int to;
int i;

public __enumerable1(int __from, int to) {
this.__from = __from;
this.to = to;
}

public ienumerator<int> getenumerator() {
__enumerable1 result = this;
if(interlocked.compareexchange(ref __state, 1, 0) != 0) {
result = new __enumerable1(__from, to);
result.__state = 1;
}
result.from = result.__from;
return result;
}

ienumerator ienumerable.getenumerator() {
return (ienumerator)getenumerator();
}

public int current {
get { return __current; }
}

object ienumerator.current {
get { return __current; }
}

public bool movenext() {
switch (__state) {
case 1:
if(from > to) goto case 2;
__current = from++;
__state = 1;
return true;

case 2:
__state = 2;
return false;

default:
throw new invalidoperationexception();
}
}

public void dispose() {
__state = 2;
}

void ienumerator.reset() {
throw new notsupportedexception();
}
}
}

這個(gè)可枚舉類同時(shí)實(shí)現(xiàn)了可枚舉接口和枚舉器接口，因此它既是可枚舉的又是一個(gè)枚舉器。當(dāng)getenumerator()方法第一次被調(diào)用時(shí)，將返回可枚舉對象本身。以后對getenumerator()方法的調(diào)用（如果有的話），將返回可枚舉對象的一個(gè)拷貝。因此返回的每一個(gè)枚舉器具有其自己的狀態(tài)，一個(gè)枚舉器的改變不會(huì)影響到其它的枚舉器。interlocked.coompareexchange()方法可以用于確保線程安全。

from和to參數(shù)被轉(zhuǎn)換為可枚舉類的域。因?yàn)榈鲏K改變了from，因此引入了一個(gè)附加的__from域來保存每個(gè)枚舉器中的from的初始值。

當(dāng)__state是0時(shí)，movenext()方法將跑出一個(gè)invalidoperationexception異常。這將保證不會(huì)發(fā)生沒有首先調(diào)用getenumerator()方法而直接將可枚舉對象用作枚舉器。

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