由C# yield return引发的思考 - yi念之间

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当我们编写 C# 代码时，经常需要处理大量的数据集合。在传统的方式中，我们往往需要先将整个数据集合加载到内存中，然后再进行操作。但是如果数据集合非常大，这种方式就会导致内存占用过高，甚至可能导致程序崩溃。
C# 中的 yield return 机制可以帮助我们解决这个问题。通过使用 yield return ，我们可以将数据集合按需生成，而不是一次性生成整个数据集合。这样可以大大减少内存占用，并且提高程序的性能。
在本文中，我们将深入讨论 C# 中 yield return 的机制和用法，帮助您更好地理解这个强大的功能，并在实际开发中灵活使用它。
上面我们提到了 yield return 将数据集合按需生成，而不是一次性生成整个数据集合。接下来通过一个简单的示例，我们看一下它的工作方式是什么样的，以便加深对它的理解
foreach (var num in GetInts())
    Console.WriteLine("外部遍历了:{0}", num);
IEnumerable<int> GetInts()
    for (int i = 0; i < 5; i++)
        Console.WriteLine("内部遍历了:{0}", i);
        yield return i;
首先，在GetInts方法中，我们使用yield return关键字来定义一个迭代器。这个迭代器可以按需生成整数序列。在每次循环时，使用yield return返回当前的整数。通过1foreach循环来遍历 GetInts方法返回的整数序列。在迭代时GetInts方法会被执行，但是不会将整个序列加载到内存中。而是在需要时，按需生成序列中的每个元素。在每次迭代时，会输出当前迭代的整数对应的信息。所以输出的结果为
内部遍历了:0
外部遍历了:0
内部遍历了:1
外部遍历了:1
内部遍历了:2
外部遍历了:2
内部遍历了:3
外部遍历了:3
内部遍历了:4
外部遍历了:4
可以看到，整数序列是按需生成的，并且在每次生成时都会输出相应的信息。这种方式可以大大减少内存占用，并且提高程序的性能。当然从c# 8开始异步迭代的方式同样支持
await foreach (var num in GetIntsAsync())
    Console.WriteLine("外部遍历了:{0}", num);
async IAsyncEnumerable<int> GetIntsAsync()
    for (int i = 0; i < 5; i++)
        await Task.Yield();
        Console.WriteLine("内部遍历了:{0}", i);
        yield return i;
和上面不同的是，如果需要用异步的方式，我们需要返回IAsyncEnumerable类型，这种方式的执行结果和上面同步的方式执行的结果是一致的，我们就不做展示了。上面我们的示例都是基于循环持续迭代的，其实使用yield return的方式还可以按需的方式去输出，这种方式适合灵活迭代的方式。如下示例所示
foreach (var num in GetInts())
    Console.WriteLine("外部遍历了:{0}", num);
IEnumerable<int> GetInts()
    Console.WriteLine("内部遍历了:0");
    yield return 0;
    Console.WriteLine("内部遍历了:1");
    yield return 1;
    Console.WriteLine("内部遍历了:2");
    yield return 2;
foreach循环每次会调用GetInts()方法，GetInts()方法的内部便使用yield return关键字返回一个结果。每次遍历都会去执行下一个yield return。所以上面代码输出的结果是
内部遍历了:0
外部遍历了:0
内部遍历了:1
外部遍历了:1
内部遍历了:2
外部遍历了:2
上面我们展示了yield return如何使用的示例，它是一种延迟加载的机制，它可以让我们逐个地处理数据，而不是一次性地将所有数据读取到内存中。接下来我们就来探究一下神奇操作的背后到底是如何实现的，方便让大家更清晰的了解迭代体系相关。
foreach本质
首先我们来看一下foreach为什么可以遍历，也就是如果可以被foreach遍历的对象，被遍历的操作需要满足哪些条件，这个时候我们可以反编译工具来看一下编译后的代码是什么样子的，相信大家最熟悉的就是List<T>集合的遍历方式了,那我们就用List<T>的示例来演示一下
List<int> ints = new List<int>();
foreach(int item in ints)
    Console.WriteLine(item);
上面的这段代码很简单，我们也没有给它任何初始化的数据，这样可以排除干扰，让我们能更清晰的看到反编译的结果，排除其他干扰。它反编译后的代码是这样的
List<int> list = new List<int>();
List<int>.Enumerator enumerator = list.GetEnumerator();
    while (enumerator.MoveNext())
        int current = enumerator.Current;
        Console.WriteLine(current);
finally
    ((IDisposable)enumerator).Dispose();
可以反编译代码的工具有很多，我用的比较多的一般是ILSpy、dnSpy、dotPeek和在线c#反编译网站sharplab.io，其中dnSpy还可以调试反编译的代码。
通过上面的反编译之后的代码我们可以看到foreach会被编译成一个固定的结构，也就是我们经常提及的设计模式中的迭代器模式结构
Enumerator enumerator = list.GetEnumerator();
while (enumerator.MoveNext())
   var current = enumerator.Current;
通过这段固定的结构我们总结一下foreach的工作原理
可以被foreach的对象需要要包含GetEnumerator()方法
迭代器对象包含MoveNext()方法和Current属性
MoveNext()方法返回bool类型，判断是否可以继续迭代。Current属性返回当前的迭代结果。
我们可以看一下List<T>类可迭代的源码结构是如何实现的
public class List<T> : IList<T>, IList, IReadOnlyList<T>
    public Enumerator GetEnumerator() => new Enumerator(this);
    IEnumerator<T> IEnumerable<T>.GetEnumerator() => Count == 0 ? SZGenericArrayEnumerator<T>.Empty : GetEnumerator();
    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() => ((IEnumerable<T>)this).GetEnumerator();
    public struct Enumerator : IEnumerator<T>, IEnumerator
        public T Current => _current!;
        public bool MoveNext()
这里涉及到了两个核心的接口IEnumerable<和IEnumerator，他们两个定义了可以实现迭代的能力抽象，实现方式如下
public interface IEnumerable
    IEnumerator GetEnumerator();
public interface IEnumerator
    bool MoveNext();
    object Current{ get; }
    void Reset();
如果类实现IEnumerable接口并实现了GetEnumerator()方法便可以被foreach，迭代的对象是IEnumerator类型，包含一个MoveNext()方法和Current属性。上面的接口是原始对象的方式，这种操作都是针对object类型集合对象。我们实际开发过程中大多数都是使用的泛型集合，当然也有对应的实现方式，如下所示
public interface IEnumerable<out T> : IEnumerable
    new IEnumerator<T> GetEnumerator();
public interface IEnumerator<out T> : IDisposable, IEnumerator
    new T Current{ get; }
可以被foreach迭代并不意味着一定要去实现IEnumerable接口，这只是给我们提供了一个可以被迭代的抽象的能力。只要类中包含GetEnumerator()方法并返回一个迭代器，迭代器里包含返回bool类型的MoveNext()方法和获取当前迭代对象的Current属性即可。
yield return本质
上面我们看到了可以被foreach迭代的本质是什么，那么yield return的返回值可以被IEnumerable<T>接收说明其中必有蹊跷，我们反编译一下我们上面的示例看一下反编译之后代码，为了方便大家对比反编译结果，这里我把上面的示例再次粘贴一下
foreach (var num in GetInts())
    Console.WriteLine("外部遍历了:{0}", num);
IEnumerable<int> GetInts()
    for (int i = 0; i < 5; i++)
        Console.WriteLine("内部遍历了:{0}", i);
        yield return i;
它的反编译结果，这里咱们就不全部展示了，只展示一下核心的逻辑
//foeach编译后的结果
IEnumerator<int> enumerator = GetInts().GetEnumerator();
    while (enumerator.MoveNext())
        int current = enumerator.Current;
        Console.WriteLine("外部遍历了:{0}", current);
finally
    if (enumerator != null)
        enumerator.Dispose();
//GetInts方法编译后的结果
private IEnumerable<int> GetInts()
    <GetInts>d__1 <GetInts>d__ = new <GetInts>d__1(-2);
    <GetInts>d__.<>4__this = this;
    return <GetInts>d__;
这里我们可以看到GetInts()方法里原来的代码不见了，而是多了一个<GetInts>d__1 l类型，也就是说yield return本质是语法糖。我们看一下<GetInts>d__1类的实现
//生成的类即实现了IEnumerable接口也实现了IEnumerator接口
//说明它既包含了GetEnumerator()方法，也包含MoveNext()方法和Current属性
private sealed class <>GetIntsd__1 : IEnumerable<int>, IEnumerable, IEnumerator<int>, IEnumerator, IDisposable
    private int <>1__state;
    //当前迭代结果
    private int <>2__current;
    private int <>l__initialThreadId;
    public C <>4__this;
    private int <i>5__1;
    //当前迭代到的结果
    int IEnumerator<int>.Current
        get{ return <>2__current; }
    //当前迭代到的结果
    object IEnumerator.Current
        get{ return <>2__current; }
    //构造函数包含状态字段，变向说明靠状态机去实现核心流程流转
    public <GetInts>d__1(int <>1__state)
        this.<>1__state = <>1__state;
        <>l__initialThreadId = Environment.CurrentManagedThreadId;
    //核心方法MoveNext
    private bool MoveNext()
        int num = <>1__state;
        if (num != 0)
            if (num != 1)
                return false;
            //控制状态
            <>1__state = -1;
            //自增 也就是代码里循环的i++
            <i>5__1++;
            <>1__state = -1;
            <i>5__1 = 0;
        //循环终止条件 上面循环里的i<5
        if (<i>5__1 < 5)
            Console.WriteLine("内部遍历了:{0}", <i>5__1);
            //把当前迭代结果赋值给Current属性
            <>2__current = <i>5__1;
            <>1__state = 1;
            //说明可以继续迭代
            return true;
        //迭代结束
        return false;
    //IEnumerator的MoveNext方法
    bool IEnumerator.MoveNext()
        return this.MoveNext();
    //IEnumerable的IEnumerable方法
    IEnumerator<int> IEnumerable<int>.IEnumerable()
        //实例化<GetInts>d__1实例
        <GetInts>d__1 <GetInts>d__;
        if (<>1__state == -2 && <>l__initialThreadId == Environment.CurrentManagedThreadId)
            <>1__state = 0;
            <GetInts>d__ = this;
            //给状态机初始化
            <GetInts>d__ = new <GetInts>d__1(0);
            <GetInts>d__.<>4__this = <>4__this;
        //因为<GetInts>d__1实现了IEnumerator接口所以可以直接返回
        return <GetInts>d__;
    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
        //因为<GetInts>d__1实现了IEnumerator接口所以可以直接转换
        return ((IEnumerable<int>)this).GetEnumerator();
    void IEnumerator.Reset()
    void IDisposable.Dispose()
通过它生成的类我们可以看到，该类即实现了IEnumerable接口也实现了IEnumerator接口说明它既包含了GetEnumerator()方法，也包含MoveNext()方法和Current属性。用这一个类就可以满足可被foeach迭代的核心结构。我们手动写的for代码被包含到了MoveNext()方法里，它包含了定义的状态机制代码，并且根据当前的状态机代码将迭代移动到下一个元素。我们大概讲解一下我们的for代码被翻译到MoveNext()方法里的执行流程
首次迭代时<>1__state被初始化成0，代表首个被迭代的元素，这个时候Current初始值为0，循环控制变量<i>5__1初始值也为0。
判断是否满足终止条件，不满足则执行循环里的逻辑。并更改装填机<>1__state为1，代表首次迭代执行完成。
循环控制变量<i>5__1继续自增并更改并更改装填机<>1__state为-1，代表可持续迭代。并循环执行循环体的自定义逻辑。
不满足迭代条件则返回false,也就是代表了MoveNext()以不满足迭代条件while (enumerator.MoveNext())逻辑终止。
上面我们还展示了另一种yield return的方式，就是同一个方法里包含多个yield return的形式
IEnumerable<int> GetInts()
    Console.WriteLine("内部遍历了:0");
    yield return 0;
    Console.WriteLine("内部遍历了:1");
    yield return 1;
    Console.WriteLine("内部遍历了:2");
    yield return 2;
上面这段代码反编译的结果如下所示，这里咱们只展示核心的方法MoveNext()的实现
private bool MoveNext()
    switch (<>1__state)
        default:
            return false;
        case 0:
            <>1__state = -1;
            Console.WriteLine("内部遍历了:0");
            <>2__current = 0;
            <>1__state = 1;
            return true;
        case 1:
            <>1__state = -1;
            Console.WriteLine("内部遍历了:1");
            <>2__current = 1;
            <>1__state = 2;
            return true;
        case 2:
            <>1__state = -1;
            Console.WriteLine("内部遍历了:2");
            <>2__current = 2;
            <>1__state = 3;
            return true;
        case 3:
            <>1__state = -1;
            return false;
通过编译后的代码我们可以看到，多个yield return的形式会被编译成switch...case的形式，有几个yield return则会编译成n+1个case，多出来的一个case则代表的MoveNext()终止条件，也就是返回false的条件。其它的case则返回true表示可以继续迭代。
IAsyncEnumerable接口
上面我们展示了同步yield return方式，c# 8开始新增了IAsyncEnumerable<T>接口，用于完成异步迭代，也就是迭代器逻辑里包含异步逻辑的场景。IAsyncEnumerable<T>接口的实现代码如下所示
public interface IAsyncEnumerable<out T>
    IAsyncEnumerator<T> GetAsyncEnumerator(CancellationToken cancellationToken = default);
public interface IAsyncEnumerator<out T> : IAsyncDisposable
    ValueTask<bool> MoveNextAsync();
    T Current { get; }
它最大的不同则是同步的IEnumerator包含的是MoveNext()方法返回的是bool，IAsyncEnumerator接口包含的是MoveNextAsync()异步方法，返回的是ValueTask<bool>类型。所以上面的示例代码
await foreach (var num in GetIntsAsync())
    Console.WriteLine("外部遍历了:{0}", num);
所以这里的await虽然是加在foreach上面，但是实际作用的则是每一次迭代执行的MoveNextAsync()方法。可以大致理解为下面的工作方式
IAsyncEnumerator<int> enumerator = list.GetAsyncEnumerator();
while (enumerator.MoveNextAsync().GetAwaiter().GetResult())
   var current = enumerator.Current;
当然，实际编译成的代码并不是这个样子的，我们在之前的文章<研究c#异步操作async await状态机的总结>一文中讲解过async await会被编译成IAsyncStateMachine异步状态机，所以IAsyncEnumerator<T>结合yield return的实现比同步的方式更加复杂而且包含更多的代码，不过实现原理可以结合同步的方式类比一下，但是要同时了解异步状态机的实现，这里咱们就不过多展示异步yield return的编译后实现了，有兴趣的同学可以自行了解一下。
foreach增强
c# 9增加了对foreach的增强的功能，即通过扩展方法的形式，对原本具备包含foreach能力的对象增加GetEnumerator()方法，使得普通类在不具备foreach的能力的情况下也可以使用来迭代。它的使用方式如下
Foo foo = new Foo();
foreach (int item in foo)
    Console.WriteLine(item);
public class Foo
    public List<int> Ints { get; set; } = new List<int>();
public static class Bar
    //给Foo定义扩展方法
    public static IEnumerator<int> GetEnumerator(this Foo foo)
        foreach (int item in foo.Ints)
            yield return item;
这个功能确实比较强大，满足开放封闭原则，我们可以在不修改原始代码的情况，增强代码的功能，可以说是非常的实用。我们来看一下它的编译后的结果是啥
Foo foo = new Foo();
IEnumerator<int> enumerator = Bar.GetEnumerator(foo);
    while (enumerator.MoveNext())
        int current = enumerator.Current;
        Console.WriteLine(current);
finally
    if (enumerator != null)
        enumerator.Dispose();
这里我们看到扩展方法GetEnumerator()本质也是语法糖，会把扩展能力编译成扩展类.GetEnumerator(被扩展实例)的方式。也就是我们写代码时候的原始方式，只是编译器帮我们生成了它的调用方式。接下来我们看一下GetEnumerator()扩展方法编译成了什么
public static IEnumerator<int> GetEnumerator(Foo foo)
    <GetEnumerator>d__0 <GetEnumerator>d__ = new <GetEnumerator>d__0(0);
    <GetEnumerator>d__.foo = foo;
    return <GetEnumerator>d__;
看到这个代码是不是觉得很眼熟了，不错和上面yield return本质这一节里讲到的语法糖生成方式是一样的了，同样的编译时候也是生成了一个对应类，这里的类是<GetEnumerator>d__0,我们看一下该类的结构
private sealed class <GetEnumerator>d__0 : IEnumerator<int>, IEnumerator, IDisposable
    private int <>1__state;
    private int <>2__current;
    public Foo foo;
    private List<int>.Enumerator <>s__1;
    private int <item>5__2;
    int IEnumerator<int>.Current
        get{ return <>2__current; }
    object IEnumerator.Current
        get{ return <>2__current; }
    public <GetEnumerator>d__0(int <>1__state)
        this.<>1__state = <>1__state;
    private bool MoveNext()
            int num = <>1__state;
            if (num != 0)
                if (num != 1)
                    return false;
                <>1__state = -3;
                <>1__state = -1;
                //因为示例中的Ints我们使用的是List<T>
                <>s__1 = foo.Ints.GetEnumerator();
                <>1__state = -3;
            //因为上面的扩展方法里使用的是foreach遍历方式
            //这里也被编译成了实际生产方式
            if (<>s__1.MoveNext())
                <item>5__2 = <>s__1.Current;
                <>2__current = <item>5__2;
                <>1__state = 1;
                return true;
            <>m__Finally1();
            <>s__1 = default(List<int>.Enumerator);
            return false;
        catch
            ((IDisposable)this).Dispose();
            throw;
    bool IEnumerator.MoveNext()
        return this.MoveNext();
    void IDisposable.Dispose()
    void IEnumerator.Reset()
    private void <>m__Finally1()
看到编译器生成的代码，我们可以看到yield return生成的代码结构都是一样的，只是MoveNext()里的逻辑取决于我们写代码时候的具体逻辑，不同的逻辑生成不同的代码。这里咱们就不在讲解它生成的代码了，因为和上面咱们讲解的代码逻辑是差不多的。
    通过本文我们介绍了c#中的yield return语法，并探讨了由它带来的一些思考。我们通过一些简单的例子，展示了yield return的使用方式，知道了迭代器来是如何按需处理大量数据。同时，我们通过分析foreach迭代和yield return语法的本质，讲解了它们的实现原理和底层机制。好在涉及到的知识整体比较简单，仔细阅读相关实现代码的话相信会了解背后的实现原理，这里就不过多赘述了。
    当你遇到挑战和困难时，请不要轻易放弃。无论你面对的是什么，只要你肯努力去尝试，去探索，去追求，你一定能够克服困难，走向成功。记住，成功不是一蹴而就的，它需要我们不断努力和坚持。相信自己，相信自己的能力，相信自己的潜力，你一定能够成为更好的自己。

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