C# 迭代器设计的基本原理（与 C++ 相比）

Posted 2023-02-16

【中文标题】C# 迭代器设计的基本原理（与 C++ 相比）

【英文标题】：Rationale of C# iterators design (comparing to C++)

【发布时间】：2010-06-14 06:49:17

【问题描述】：

我找到了类似的话题：Iterators in C++ (stl) vs Java, is there a conceptual difference?

这主要是处理 Java 迭代器（类似于 C#）无法后退的问题。

所以在这里我想关注限制——在 C++ 中，迭代器不知道它的限制，你必须自己将给定的迭代器与限制进行比较。在 C# 中，迭代器了解更多——您无需与任何外部引用进行比较即可判断迭代器是否有效。

我更喜欢 C++ 方式，因为一旦有了迭代器，您就可以将任何迭代器设置为限制。换句话说，如果您只想获取几个元素而不是整个集合，则不必更改迭代器（在 C++ 中）。对我来说它更“纯粹”（清晰）。

当然，MS 在设计 C# 时就知道这一点和 C++。那么C#方式有哪些优势呢？哪种方法更强大（这会导致基于迭代器的更优雅的函数）。我错过了什么？

如果您对 C# 与 C++ 迭代器设计的限制（边界）以外的其他想法，也请回答。

注意：（以防万一）请保持讨论严格的技术性。没有 C++/C# 火焰战争。

编辑

正如 Tzaman 所说，“将限制单独表示没有任何好处，因为除了一次走一个元素外，没有其他方法可以到达那里。”然而，构建一个一次执行几个步骤的 C# 迭代器并不难，因此问题是——具有显式限制迭代器（如在 C++ 中）是否有好处？如果是 - 什么？

@乔恩，

Edit1: 假设你有一个函数 foo，它在迭代器上做一些事情（这个例子很天真！）

void foo(iter_from,iter_end) // C++ style
void foo(iter) // C# style 

现在你想在除最后 10 个元素之外的所有元素上调用功能栏。

bar(iter_from,iter_end-10); // C++ style

在 C# 中（如果我没记错的话）你必须为这个迭代器提供额外的方法来改变 its 限制，像这样：

bar(iter.ChangeTheLimit(-10));

Edit2： 重读您的帖子后，我感受到了至关重要的不同。在 C++ 中，您处理集合的迭代器，在 C# 中，您处理集合（迭代器在“内部”使用）。如果是的话，我仍然对 C# 感到有点不舒服——你迭代集合，当你发现有趣的元素时，你想将所有元素从“这里”传递到结束。在 C++ 中，这非常容易，并且没有开销。在 C# 中，您可以传递一个迭代器或一个集合（如果后者将有额外的计算）。我会等你的评论:-)

@汉斯，

我不是在比较苹果和橘子。比较。理论在这里是共同点，所以你有排序算法、分区等。你有集合的概念（或序列，正如 Jon 喜欢的那样）。现在 - 问题是您如何设计对元素的访问以拥有用 C# 或 C++（或任何其他语言）编写的优雅算法。我想理解“我们这样做是因为……”的原因。

我知道 .NET 迭代器和集合是独立的类。我知道访问元素和整个集合之间的区别。然而，在 C++ 中，处理集合的最通用方法是使用迭代器——尽管这些集合完全不同，但您可以通过这种方式使用列表和向量。另一方面，在 C# 中，您更愿意编写

sort(IEnumerable<T> coll) 

改为函数

sort(IEnumerator<T> iter)

正确吗？所以从这个意义上说，我猜你不能把 C# 迭代器当作 C++ 迭代器，因为 C# 并不像 C++ 那样表达相同的算法。或者正如 Jon 指出的那样——在 C# 中，您宁愿转换集合（Skip、Take）而不是更改迭代器。

【问题讨论】：

@macias，因为既不是 C++ 也不是 C# 开发人员，我更喜欢您示例中的 C# 风格。对我来说它看起来更自然。

C++ 中如何处理无限序列？在这种情况下 iter_end 会是什么？

@Damien，我从未在 C++ 中使用过不定式序列。

两个字：责任原则。

@Damien：对于无限序列，iter_end 必须是一个永远不会达到的特殊值（例如，如果流永远不会结束，istream_iterator 可以表示无限范围）。但是，如果一种算法被设计为使用无限序列，它可能只需要一个迭代器。例如，算法std::copy 采用两个输入迭代器来表示源范围（或序列），但只有一个输出迭代器，它或多或少可以看作是一个无限的复制范围。 [...]

【参考方案1】：

在我看来，C# 设计更加封装：一个序列用完或执行，独立于其他任何东西。将一个限制与另一个限制进行比较有意义在哪里？

如果您只想获取几个元素，那么 LINQ 提供了任意数量的方法来从另一个构建一个序列，例如

foo.Take(10)
foo.Skip(10)
foo.Where(x => x.StartsWith("y"))

等

我认为将一个序列转换为另一个序列比用限制指定它更清晰 - 也更可组合。如果您想将迭代器传递给另一个函数，但又想将其限制为前几个元素，那么为什么必须也传递限制？为什么不直接传递具有自限性的变换序列呢？

编辑：要解决您的问题，请编辑：在 C# 中（至少使用 LINQ），您不会修改现有集合。您将从旧序列创建一个新序列。这是懒惰地完成的；它不会创建新副本或类似的东西。对于 LINQ to Objects，这是使用 IEnumerable<T> 上的扩展方法执行的，因此任何序列都可以获得相同的功能。

请注意，这不仅限于传统的集合 - 它可以是从日志文件中读取的一系列行（同样，懒惰）。您不需要任何关于集合本身的知识，只需要它是一个可以从中绘制项目的序列。 IEnumerable<T> 和 IEnumerator<T> 之间也有区别，其中第一个表示序列，第二个表示序列上的迭代器； IEnumerator<T> 在 C# 中很少显式使用或传递。

现在，您的“除最后 10 个元素之外的所有元素”的示例是一个棘手的示例，因为对于一般序列，您无法判断您是从末尾到末尾的 10 个元素。 LINQ to Objects 中没有任何内容可以显式执行此操作。对于任何实现 ICollection 或 ICollection<T> 的东西，您都可以使用

Bar(list.Take(list.Count - 10))

但这不是很笼统。一个更通用的解决方案需要维护一个包含 10 个元素的循环缓冲区，有效地在它产生的位置之前读取 10 个元素。老实说，我很少发现这是一项要求。

【讨论】：

是的...这确实看起来更好，但他们希望我们在 LINQ 之前做什么？

感谢您的回答。在您的示例和下面的示例中，您假设您的“输入”是一个集合。但是如果它已经是一个迭代器呢？由于 cmets 格式不好，我编辑了我的帖子。

@Mark：在 C# 1 中，这样做会非常难看。在 C# 2 中，您可以使用迭代器块相当容易地构建自己的伪 LINQ - 但是它会缺乏 lambda 表达式和扩展方法的简洁性。

@Jon，我知道这不是关于修改集合元素 :-) 现在，关于这个例子——你不能依赖于你免费获得 Count 的事实，例如对于链表它是 O( n) 得到它，所以在这种情况下 C++ 会快得多。此外，您再次使用 collection 而不是 iterator。所以我越来越好奇——如果真的 C++ 迭代器是 C# 集合（不是迭代器）的对应物？或者，也许我改写我的问题——C++ STL 通用函数（#include ）适用于迭代器，而 C# STL 将适用于 collections，对吗？

@macias：您在 .NET LinkedList<T>... 中获得 O(1) 的计数...并且您还假设您可以轻松地在链接列表中到达“从末尾开始的 10” ，这将要求它是一个双向链表。但是，是的，我承认在不维护计数的双向链表的情况下，在 .NET 中获取除最终 X 元素之外的所有元素更棘手。不过，我不能说我遇到过这种确切的情况 :) 就集合与迭代器而言：更准确的说法是 .NET API 通常根据 sequences 而不是集合工作.并非每个序列都是正常的集合。

【参考方案2】：

我认为，只要您只谈论 forward 迭代器，我就喜欢 C# 方式 - 序列知道自己的限制，您可以通过 LINQ 轻松转换它，等等。单独表示限制没有任何好处，因为除了一次走一个元素之外，没有办法到达。

但是，C++ 迭代器的功能要强大得多——您可以使用双向迭代器或随机访问迭代器，它可以让您完成单向顺序迭代器无法完成的事情。顺序迭代器在某种意义上是链表的泛化，而随机访问迭代器是数组的泛化。这就是为什么您可以用 C++ 迭代器有效地表达诸如快速排序之类的算法，而使用 IEnumerable 则不可能。

【讨论】：

哦，我喜欢你的回答——但是你能否解释一下最后的陈述。或者发布一个链接到一些分机。参考。关于各种迭代器——一个不否认另一个，即你可以有 C# 迭代器（有限制），但双向。

当然，对于“随机访问迭代器”，您只需使用IList<T>。我在这里 +1 的原因是双向迭代器的想法，.NET 不支持。我不能说这是我非常想要的东西，但这绝对是一个有趣的遗漏。

@Jon - 当然； IList<T> 仍然是（用 macias 的术语）collection 本身的表示，而不是该集合中的 position。我认为 C++ 迭代器概念是向集合公开通用接口的最佳方式，而无需语言中的实际接口 - 绝对比强制 ABC 继承要好得多，只是为了能够使用 STL algorithm / 等等。任何猜测至于为什么没有.NET Deque<T> / IBidirectional？它们是有用的......

@tzman：在许多情况下，您可以将LinkedList<T> 用作Deque<T>，尽管这会带来内存成本。我不知道为什么没有循环缓冲区实现，除了实现 anything 需要时间......我怀疑这个价值还不够大。

有什么理由为什么IEnumerator<T> 不应该支持int Move(int); 方法，对于非负值，它会尝试调用MoveNext 指定的次数并返回0，如果它可以移动全部数量，或者如果不能移动不足的数量（如果连接多个IEnumerable<T> 集合，后一个数量很有用）？如果不出意外，任何IEnumerator<T> 实现都可以实现调用MoveNext() 的方法，但是许多实现可以使用比重复调用MoveNext 快几个数量级的替代方法。

【参考方案3】：

你在比较苹果和橘子。 STL 集合类有完全不同的设计目标。它们是集合的一刀切设计，您只能获得所提供的类。无法自定义集合，STL 类并非旨在继承自。

与.NET 非常不同，它们的核心是ICollection、IDictionary 和IList 接口。 .NET 框架包含数百个集合类，经过定制以完成其特定工作。

这也影响了他们的迭代器的设计。 STL 迭代器必须提供很大的灵活性，因为它们迭代的集合无法自定义。有一个与此相关的固有成本。有 5 种不同的 STL 迭代器类型，并非所有集合类都支持所有 5 种不同的类型。在库设计中，失去通用性从来都不是一件好事。

虽然可以说 C++ 迭代器更灵活，但我会做出相反的断言。 IEnumerator 的简单性促成了非常有价值的 .NET 功能。例如，C# 的 yield 关键字将集合与迭代器的行为完全分离。如果不是简单的迭代器类型，Linq 就不会发生。协方差支持是不可能的。

关于您的 Edit2，不，.NET 迭代器是独立的类，就像 C++ 的一样。请务必了解 IEnumerable（由集合实现）和 IEnumerator（由迭代器实现）之间的区别。

【讨论】：

好的，有很多内容需要编辑 :-) 我想你通过 yield 示例让我信服了。 IE。使用两个迭代器来定义边界，您必须提前知道极限（极限可以改变，但它必须在那里）。所以 yield 对应每次都必须传输两个值，这意味着当前迭代器必须知道它的限制 --> 这导致我们使用 C# 迭代器。不错。

我恭敬地认为这是一个错误的答案。首先，您实际上对 STL 集合和迭代器是不正确的：它们当然可以被继承和自定义。 STL 旨在将算法与结构分开——也就是说，std::copy 或std::for_each 函数不必关心它的参数指向什么，只要它们是有效的迭代器即可。你对 C# 也有错误：没有迭代器，只有集合。

好吧，好吧。我应该澄清一下： IEnumerable 和 IEnumerable 接口公开了一个名为 GetEnumerator 的方法，它返回一个实现 IEnumerator 的对象，它公开了一个名为 MoveNext 的方法。然而，这个枚举器与迭代器并不是一回事。

【参考方案4】：

那么C#方式的优点是什么？

封装一个。如果您不手动设置迭代顺序，则更难弄乱您的迭代限制。

C++ 示例：

std::vector<int> a;
std::vector<int> b;
std::vector<int>::iterator ba = a.begin();
std::vector<int>::iterator ea = a.end();
std::vector<int>::iterator bb = b.begin();
std::vector<int>::iterator eb = b.end();
// lots of code here
for(auto itr = ba; itr != eb; itr++) // iterator tries to "cross" vectors
                                     // you get undefined behavior, depending 
                                     // on what you do with itr

哪种方法更强大（哪种 导致基于更优雅的功能 在迭代器上）。

这取决于你所说的最强大是什么意思。

C++ 方法更灵活。

C# 更难误用。

【讨论】：

你的例子很有说服力，谢谢！强大 = 您可以以清晰的方式表达大多数算法（排序、分区、查找、任何、所有等）。

@macias：您也可以使用 C# 序列表达分区、查找、任何和所有（使用 lambda 表达式非常容易）。

对于这个定义，C++ 迭代器肯定更强大。你有 i/o 迭代器，为算法指定自定义范围（`std::sort(c.begin(), c.begin()+3)`），使用与迭代器相同的算法和原始指针 i>) 等等。

【参考方案5】：

由于以下问题，我找到了这个主题。有一个序列需要一次向前迭代一个元素。但是，在某些点需要跳过大量元素。当发生这种跳过时，除了在新索引处跳转和重新启动之外，其他任何操作都是低效的（即，即使没有执行任何循环体，也不能为跳过的索引运行循环。）

这是一个 C# sn-p 给你的想法，除了它使用的是 int 索引而不是枚举器。

for(int i = 0; i< 1000; ++i)

    ... // do something

    if (i == 100)
       i = 200; // skip from 100 to 200

关键是可以针对这个特定的序列优化进入下一个元素，但是跳过元素（以及完全随机访问）的成本更高。 @Jon，因此为此目的使用 IList 效率低下。 Yield 也不直接允许这种风格。

我在 C# 中尝试了各种方法来执行此操作，包括对内部块使用 lambda ForEach() 样式，它返回下一个索引。但是，这不是很好。

可能导致开销最小的方法是简单的迭代器类型——不基于 IEnumerable 或 yield——它允许我模仿上面的代码。

想法？