C# 迭代器模式(Iterator Pattern)全面解析：从原理到高级应用

一、迭代器模式概述

迭代器模式是一种行为设计模式，它提供了一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素，而又不需要暴露该对象的内部表示。在C#中，迭代器模式通过IEnumerable和IEnumerator接口得到了原生支持，使得这种模式在.NET生态中应用极为广泛。

1.1 核心价值

迭代器模式的核心价值在于：

1. 职责分离：将集合对象的存储职责和遍历职责分离
2. 统一接口：为不同的集合结构提供统一的遍历接口
3. 多态迭代：支持对同一集合实施多种遍历方式
4. 并行遍历：允许同时进行多个独立的遍历过程

1.2 基本组成

在C#中，迭代器模式主要涉及以下组件：

• IEnumerable/IEnumerable<T>：可枚举接口，定义获取迭代器的方法
• IEnumerator/IEnumerator<T>：迭代器接口，定义遍历集合的基本操作
• yield关键字：C#语法糖，简化迭代器实现

二、C#迭代器实现机制

2.1 接口定义分析

// 非泛型版本
public interface IEnumerable
{
    IEnumerator GetEnumerator();
}

public interface IEnumerator
{
    object Current { get; }
    bool MoveNext();
    void Reset();
}

// 泛型版本
public interface IEnumerable<T> : IEnumerable
{
    new IEnumerator<T> GetEnumerator();
}

public interface IEnumerator<T> : IEnumerator, IDisposable
{
    new T Current { get; }
}

2.2 yield关键字原理

当使用yield关键字实现迭代器时，C#编译器会执行以下转换：

1. 生成一个实现了IEnumerator<T>的嵌套类（状态机）
2. 将方法体转换为状态机代码
3. 将局部变量提升为状态机的字段
4. 实现MoveNext()方法，根据状态跳转到相应的yield return语句

例如以下代码：

public IEnumerable<int> GetNumbers()
{
    yield return 1;
    yield return 2;
    yield return 3;
}

编译器会生成类似如下的状态机类：

private sealed class <GetNumbers>d__0 : IEnumerable<int>, IEnumerable, IEnumerator<int>, IEnumerator
{
    private int <>1__state;
    private int <>2__current;
    
    int IEnumerator<int>.Current => <>2__current;
    object IEnumerator.Current => <>2__current;