C#你可能不知道的陷阱, IEnumerable接口
发布时间：2014-12-07 00:00 来源：热情的沙漠
IEnumerable枚举器接口的重要性，说一万句话都不过分。几乎所有集合都实现了这个接口，Linq的核心也依赖于这个万能的接口。C语言的for循环写得心烦，foreach就顺畅了很多。
我很喜欢这个接口，但在使用中也遇到不少的疑问，你是不是也有与我一样的困惑：
(1) IEnumerable 与 IEnumerator到底有什么区别
(2) 枚举能否越界访问，越界访问是什么后果？为什么在枚举中不能改变集合的值？
(3) Linq的具体实现到底是怎样的，比如Skip,它跳过了一些元素，那么这些元素被访问到了么？
(4) IEnumerable 的本质是什么？
(5) IEnumerable 枚举中是否会形成闭包？多个枚举过程会不会互相干扰？能否在枚举中动态改变枚举的元素？
….
如果感兴趣，我们接着下面的内容。
开始之前，我们的文章规定，枚举就是IEnumerable，迭代就是IEnumerator，已经被实例化（比如ToList()）就是集合。
1. IEnumerable 与 IEnumerator
IEnumerable只有一个抽象方法：GetEnumerator()，而IEnumerator又是一个迭代器，真正实现了访问集合的功能。 IEnumerator只有一个Current属性，MoveNext和Reset两个方法。
有个小问题，只搞一个访问器接口不就得了？为什么要两个看起来很容易混淆的接口呢？一个叫枚举器，另一个叫迭代器。因为
(1) 实现IEnumerator是个脏活累活，白白加了两个方法一个属性，而且这两个方法其实并不好实现（后面会提到）。
(2) 它需要维护初始状态，知道如何MoveNext ,如何结束，同时返回迭代的上一个状态，这些并不容易。
(3)迭代显然是非线程安全的，每次IEnumerable都会生成新的IEnumerator，从而形成多个互相不影响的迭代过程。在迭代过程中，不能修改迭代集合，否则不安全。
所以只要你实现了IEnumerable，编译器就会帮我们实现IEnumerator。何况绝大多数情况都是从现有集合继承，一般不需要重写MoveNext和Reset方法。 IEnumerable当然还有泛型实现，这个不影响问题的讨论。
IEnumerable让我们想起了单向链表，C中需要一个指针域保存下一个节点的信息，那么在IEnumerable中，谁帮忙保存了这个信息？这个过程占用内存么？ 是占在程序区，还是堆区？
但是，IEnumerable也有它的缺点，它没法后退，没法跳跃（只能一个一个的跳过去），而且实现Reset并不容易,无法实现索引访问。想想看， 假如是一个实例集合的枚举过程，直接返回到第0个元素就可以了，但是如果这个IEnumerable是漫长的访问链条，想找到最初的根是很困难的！所 以CLR via C#的作者告诉你，其实很多Reset的实现根本就是谎言，知道有这个东西就行了，不要太过依赖它。
2. foreach和MoveNext有区别吗
IEnumerable最大的特点是将访问的过程，交给了被访问者本身控制。在C语言中数组控制权是外部完全掌握的。这个接口却在内部封装访问了的过程，进一步提升了封装性。比如下面：
public class People //定义一个简单的实体类
{
public string Name { get; set; }
public int Age { get; set; }
}
public class PersonList
{
private readonly List<People> peoples;
public PersonList() //为了方便，构造过程中插入元素
{
peoples = new List<People>();
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
peoples.Add(new People {Name = "P" + i, Age = 30 + i});
}
}
public int OldAge = 31;
public IEnumerable<People> OlderPeoples
{
get
{
foreach (People people in _people)
{
if (people.Age > OldAge)
yield return people;
}
yield break;
}
}
}
IEnumerable的本质是状态机，它有点类似事件的概念，将实现丢到外面，实现代码间的穿越（想想星际穿越），这是Linq的基础。酷炫的迭代器，真的有我们想象的那么简单么？
在C语言中，数组就是数组，实实在在的内存空间，那么IEnumerable到底是什么意思呢？如果它由一个真正的集合（比如List）实现，那么没问题，也是实实在在的内存，可是假如是上述的例子呢？筛选返回的yield return 只返回了元素，但可能并不存在这个实际的集合，假设您将简单的枚举器的yield return 反编译后看，会发现其实是一组switch-case, 编译器在后台为我们做了大量的工作。
生成的新迭代器，如果不MoveNext，其实Current是空的，这是为什么呢？为什么一个迭代器不直接指向头元素呢？
（感谢回答：就像C语言的单向链表的头指针一样，这样可以指定一个不包含任何元素的枚举，程序设计起来更方便）
foreach每次往前移动一格，到头了就停止。 等等，你确定它到头了就会停止么？我们来做个试验：
public IEnumerable<People> Peoples1 //直接返回集合
{
get { return peoples; }
}public IEnumerable<People> Peoples2 //包含yield break;
{
get
{
foreach (var people in peoples)
{
yield return people;
}
yield break; //其实这个用不用都可以
}
}
以上两种，是我们常见的方式，注意第二种实现，ReSharper把yield break标成灰色（重复）。
我们再写下如下的测试代码，peopleList集合只有五个元素，但尝试去MoveNext 8次。可以把peopleList.Peoples1换成2,3，分别测试。
var peopleList = new PeopleList(); //内部构造函数插入了五个元素
IEnumerator<People> e1 = peopleList.Peoples1.GetEnumerator();
if (e1.Current == null)
{
Console.WriteLine("迭代器生成后Current为空");
}
int i = 0;
while (i<8) //总共只有五个元素，看看一直迭代会发生什么效果
{
e1.MoveNext();
if (e1.Current == null)
{
Console.WriteLine("迭代第{0}次后为空",i);
}
else
{
Console.WriteLine("迭代第{0}次后为{1}",i,e1.Current.Name);
}
i++;
}
//PeopleEnumerable1 (直接返回集合) 迭代器生成后Current为空 迭代第0次后为P0 迭代第1次后为P1 迭代第2次后为P2 迭代第3次后为P3 迭代第4次后为P4 迭代第5次后为空 迭代第6次后为空 迭代第7次后为空 //PeopleEnumerable2 （不加yield break） 迭代器生成后Current为空 迭代第0次后为P0 迭代第1次后为P1 迭代第2次后为P2 迭代第3次后为P3 迭代第4次后为P4 迭代第5次后为P4 迭代第6次后为P4 迭代第7次后为P4 //PeopleEnumerable2 （加上yield break） 迭代器生成后Current为空 迭代第0次后为P0 迭代第1次后为P1 迭代第2次后为P2 迭代第3次后为P3 迭代第4次后为P4 迭代第5次后为P4 迭代第6次后为P4 迭代第7次后为P4 越界枚举测试结果
真让人吃惊，返回原始集合，越界之后就返回null了，但如果是MoveNext，不论有没有加yield break, 越界迭代后还是返回最后一个元素！ 也许就是我们在第1节里提到的，迭代器只返回上一次的状态，因为无法后移，所以就重复返回，那为什么List集合就不会这样呢？问题留给大家。
（感谢回答：越界枚举到底是null还是最后一个元素的问题，其实没有明确规定，具体看.NET的实现，在.NET Framework中，越界后依然是最后一个元素）。
不过各位看官尽管放心，在foreach的标准枚举过程下，枚举是肯定能枚举完的，这就说明了MoveNext和foreach两种在实现上的不同，显然foreach更安全。同时还注意，不能在yield过程中实现try-catch代码块，为什么呢？因为yield模式组合了来自不同位置的代码和逻辑，怎么可能靠编译给每个引用的代码块加上try-catch？这太复杂了。
枚举的特性在处理大数据的时候很有帮助，就是因为它的状态性，一个超大的文件，我只要每次读一部分，就可以顺次的读取下去，直到文件结束，由于不需要实例化集合，内存占用是很低的。对数据库也是如此，每次读取一部分，就能应对很多难以应付的情况。
3.在枚举中修改枚举器参数？
在枚举过程中，集合是不能被修改的，比如在foreach循环中，如果插入或者删除一个元素，肯定会报运行时异常。有经验的程序员告诉 你，此时用for循环。for和foreach的本质区别是什么呢？
在MoveNext中，我突然改变了枚举的参数，使得它的数据量变多或者变少了，又会发生什么？
Console.WriteLine("不修改OldAge参数");
foreach (var olderPeople in peopleList.OlderPeoples)
{
Console.WriteLine(olderPeople);
}
Console.WriteLine("修改了OldAge参数");
i = 0;
foreach (var olderPeople in peopleList.OlderPeoples)
{
Console.WriteLine(olderPeople);
i++;
if (i ==1)
peopleList.OldAge = 33; //只枚举一次后，修改OldAge 的值
}
测试结果是：
不修改OldAge参数 ID:2,NameP2,Age32 ID:3,NameP3,Age33 ID:4,NameP4,Age34 修改了OldAge参数 ID:2,NameP2,Age32 ID:4,NameP4,Age34
可以看到，在枚举过程中修改了控制枚举的值，能动态改变枚举的行为。上面是在一个yield结构中改变变量的情况，我们再试试在迭代器和Lambda表达式的情况（代码略）， 得到结果是：
在迭代中修改变量值 ID:2,NameP2,Age32 ID:4,NameP4,Age34 在Lambda表达式中修改变量值 ID:2,NameP2,Age32 ID:4,NameP4,Age34
可以看出，外部修改变量能够控制内部的迭代过程，动态改变了“集合的元素”。 这是一个好事，因为它的行为确实是对的；也是坏事：在迭代过程中，修改了变量的值，上下文语境变化，可是如果还按之前的语境进行处理，显然就会酿成大错。 这里和闭包没关系。
因此，如果一个枚举需要在上下文会发生变化的情况下保持原有的行为，就需要手动保存变量的副本。
假设您把两个集合A,B用Concat函数顺次拼接起来，也就是A-B, 而且不实例化，那么在枚举A的阶段中，修改集合B的元素，会报错么？ 为什么？
比如如下的测试代码：
List<People> peoples=new List<People>(){new People(){Name = "PA"}};
Console.WriteLine("将一个虚拟枚举A连接到集合B，并在枚举A阶段修改集合B的元素");
var e8 = peopleList.PeopleEnumerable1.Concat(peoples);
i = 0;
foreach (var people in e8)
{
Console.WriteLine(people);
i++;
if (i == 1)
peoples.Add(new People(){Name = "PB"}); //此时还在枚举PeopleEnumerable1阶段
}
假设您想知道，可以自己做个试验（在我附件里也有这个例子）。留给大家讨论。
4. 更多LINQ的讨论
你可以在yield中插入任何代码，这就是延迟（Lazy）的表现，只是需要执行的时候才执行。 我们不难想象Linq很多函数的实现方式，比较有意思的包括Concat,它将两个集合连在了一起，就像下面这样：
public static IEnumerable<T> Concat<T>(this IEnumerable<T> source, IEnumerable<T> source2)
{
foreach (var r in source)
{
yield return r;
}
foreach (var r in source2)
{
yield return r;
}
}
还有Select, Where都好实现，就不讨论了。
Skip怎么实现的呢？ 它跳过了集合中的一部分元素，我猜是这样的：
public static IEnumerable<T> Skip<T>(this IEnumerable<T> source, int count)
{
int t = 0;
foreach (var r in source)
{
t++;
if(t<=count)
continue;
yield return r;
}
}
那么，被跳过的元素，到底被访问过没有？它的代码被执行了么？
Console.WriteLine("Skip的元素是否会被访问到？");
IEnumerable<People> e6 = peopleList.PeopleEnumerable1.Select(d =>
{
Console.WriteLine(d);
return d;
}).Skip(3);
Console.WriteLine("只枚举，什么都不做：");
foreach (var r in e6){}
Console.WriteLine("转换为实体集合，再次枚举");
IEnumerable<People> e7 = e6.ToList();
foreach (var r in e7){}
测试结果如下：
只枚举，什么都不做： ID:0,NameP0,Age30 ID:1,NameP1,Age31 ID:2,NameP2,Age32 ID:3,NameP3,Age33 ID:4,NameP4,Age34 转换为实体集合，再次枚举 ID:0,NameP0,Age30 ID:1,NameP1,Age31 ID:2,NameP2,Age32 ID:3,NameP3,Age33 ID:4,NameP4,Age34
可以看出，Skip虽然是跳过，但还是会“访问”元素的，因此会执行额外的操作，比如lambda表达式，这不论是枚举器还是实体集合都是如此。这个角度说，要优化表达式，应当尽可能在linq中早的Skip和Take，以减少额外的副作用。
但对于Linq to SQL的实现中，显然Skip是做过额外优化的。我们是否也能优化Skip的实现，使得上层尽可能提升海量数据下的Skip性能呢？
5. 有关IEnumerable枚举的更多问题
(1) 枚举过程如何暂停？有暂停这一说么？ 如何取消？
(2) PLinq的实现原理是什么？它改变的到底是IEnumerable接口的哪种特性？是否产生了乱序枚举？这种乱序枚举到底是怎么实现？
(3) IEnumerable实现了链条结构，这是Linq的基础，但这个链条的本质是什么？
(4) 因为IEnumerable代表了状态和延迟，因此就不难理解很多异步操作的本质就是IEnumerable。我有一次面试时候，问到了异步的实质，你说异步的实质是什么？异步不是多线程！异步的精彩，本质上是代码的重新组合，因为长时间的异步操作就是状态机。。。比如CCR库。此处不准备展开说，因为暂时超过了作者的知识储备，下次再说。
(5) 如果用C语言来实现同样的枚举器，同样酷炫的Linq,不靠编译器能实现么？先不提Lambda的梗，我们用函数指针。
(6) IEnumerable写MapReduce Linq for MapReduce
(7) IEnumerable如何Sort 实例化为一个集合再排序么？假如是一个超大的虚拟集合,如何优化？
