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由浅入深CIL系列:6.For和Foreach的CIL结构组成以及运行效率

本节即将新接触的CIL操作符如下：

br.s IL_003c 无条件地将控制转移到目标指令（短格式）

clt 从计算堆栈的顶部弹出当前值并将其存储到索引 2 处的局部变量列表中

ldloca.s CS$5$0001 将位于特定索引处的局部变量的地址加载到计算堆栈上（短格式）

leave.s 退出受保护的代码区域，无条件将控制转移到目标指令（缩写形式）
constrained. 约束要对其进行虚方法调用的类型

endfinally 将控制从异常块的 fault 或 finally 子句转移回公共语言结构 (CLI) 异常处理程序

在C#中我们经常会遇到遍历数组、遍历List<>、遍历HashTable等情况，在本文中我们首先构造一个List<int>对象，然后通过For和Foreach来遍历它看看他们之间的CIL代码有什么区别和不同。

首先我们贴出C#代码如下：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //初始化一个List<int>
            List<int> listInt = new List<int>();
            for (int i = 0; i < 100000; i++)
            {
                listInt.Add(i + 1);
            }
            Console.WriteLine("--------------------------");
            //第一种for遍历
            for (int i = 0; i < listInt.Count; i++)
            {
            }

            //第二种foreach遍历
            foreach (int i in listInt)
            {
            }
            
        }
    }

其次我们来看CIL代码如下所示，因为CIL代码有点儿长，设置为隐藏有需要的可以点击查看：

所有的CIL代码

.method private hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
{
  .entrypoint
  // 代码大小       123 (0x7b)
  .maxstack  3
  .locals init ([0] class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<int32> listInt,
           [1] int32 i,
           [2] bool CS$4$0000,
           [3] valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<int32> CS$5$0001)
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  newobj     instance void class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<int32>::.ctor()
  IL_0006:  stloc.0
  IL_0007:  ldc.i4.0
  IL_0008:  stloc.1
  IL_0009:  br.s       IL_001b
  IL_000b:  nop
  IL_000c:  ldloc.0
  IL_000d:  ldloc.1
  IL_000e:  ldc.i4.1
  IL_000f:  add
  IL_0010:  callvirt   instance void class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<int32>::Add(!0)
  IL_0015:  nop
  IL_0016:  nop
  IL_0017:  ldloc.1
  IL_0018:  ldc.i4.1
  IL_0019:  add
  IL_001a:  stloc.1
  IL_001b:  ldloc.1
  IL_001c:  ldc.i4     0x186a0
  IL_0021:  clt
  IL_0023:  stloc.2
  IL_0024:  ldloc.2
  IL_0025:  brtrue.s   IL_000b
  IL_0027:  ldstr      "--------------------------"
  IL_002c:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
  IL_0031:  nop
  IL_0032:  ldc.i4.0
  IL_0033:  stloc.1
  IL_0034:  br.s       IL_003c
  IL_0036:  nop
  IL_0037:  nop
  IL_0038:  ldloc.1
  IL_0039:  ldc.i4.1
  IL_003a:  add
  IL_003b:  stloc.1
  IL_003c:  ldloc.1
  IL_003d:  ldloc.0
  IL_003e:  callvirt   instance int32 class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<int32>::get_Count()
  IL_0043:  clt
  IL_0045:  stloc.2
  IL_0046:  ldloc.2
  IL_0047:  brtrue.s   IL_0036
  IL_0049:  nop
  IL_004a:  ldloc.0
  IL_004b:  callvirt   instance valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<!0> class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<int32>::GetEnumerator()
  IL_0050:  stloc.3
  .try
  {
    IL_0051:  br.s       IL_005d
    IL_0053:  ldloca.s   CS$5$0001
    IL_0055:  call       instance !0 valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<int32>::get_Current()
    IL_005a:  stloc.1
    IL_005b:  nop
    IL_005c:  nop
    IL_005d:  ldloca.s   CS$5$0001
    IL_005f:  call       instance bool valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<int32>::MoveNext()
    IL_0064:  stloc.2
    IL_0065:  ldloc.2
    IL_0066:  brtrue.s   IL_0053
    IL_0068:  leave.s    IL_0079
  }  // end .try
  finally
  {
    IL_006a:  ldloca.s   CS$5$0001
    IL_006c:  constrained. valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<int32>
    IL_0072:  callvirt   instance void [mscorlib]System.IDisposable::Dispose()
    IL_0077:  nop
    IL_0078:  endfinally
  }  // end handler
  IL_0079:  nop
  IL_007a:  ret
} // end of method Program::Main

再次我们来分析这个CIL代码，他分为三大部分，第一部分为List的初始化，第二部分为For循环遍历List，第二部分为Foreach遍历循环，首先我们看for循环的CIL代码如下所示：

//第一种for遍历
  IL_0031:  nop
//将整数值 0 作为 int32 推送到计算堆栈上
  IL_0032:  ldc.i4.0
//从计算堆栈的顶部弹出当前值并将其存储到索引 1 处的局部变量列表中
  IL_0033:  stloc.1
//无条件地将控制转移到目标指令（短格式）。
  IL_0034:  br.s       IL_003c
  IL_0036:  nop
///////////注意：这里就是循环内部需要处理的代码处，在本实例中无代码
  IL_0037:  nop
//将索引 1 处的局部变量加载到计算堆栈上
  IL_0038:  ldloc.1
//将整数值 1 作为 int32 推送到计算堆栈上
  IL_0039:  ldc.i4.1
//将两个值相加并将结果推送到计算堆栈上。
  IL_003a:  add
//从计算堆栈的顶部弹出当前值并将其存储到索引 1 处的局部变量列表中
  IL_003b:  stloc.1
//将索引 1 处的局部变量加载到计算堆栈上
  IL_003c:  ldloc.1
//将索引 0 处的局部变量加载到计算堆栈上
  IL_003d:  ldloc.0
//调用系统函数获取List数量
  IL_003e:  callvirt   instance int32 class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<int32>::get_Count()
//比较两个值。如果第一个值小于第二个值，则将整数值 1 (int32) 推送到计算堆栈上；反之，将 0 (int32) 推送到计算堆栈上。
  IL_0043:  clt
//从计算堆栈的顶部弹出当前值并将其存储到索引 2 处的局部变量列表中
  IL_0045:  stloc.2
//将索引 2 处的局部变量加载到计算堆栈上
  IL_0046:  ldloc.2
//如果 value 为 true、非空或非零，则将控制转移到目标指令（短格式）。
  IL_0047:  brtrue.s   IL_0036

下面我们来看看Foreach方式的遍历的CIL代码如下：

//第二种foreach遍历
  IL_0049:  nop
//将索引 0 处的局部变量加载到计算堆栈上。
  IL_004a:  ldloc.0
//调用List<int> listInt对象的GetEnumerator()方法
//任何集合类对象都有一个GetEnumerator()方法，该方法可以返回一个实现了 IEnumerator接口的对象，
//这个返回的IEnumerator对象既不是集合类对象，也不是集合的元素类对象，它是一个独立的类对象。
//通过这个对象，可以遍历访问集合类对象中的每一个元素对象 .
  IL_004b:  callvirt   instance valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<!0> class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<int32>::GetEnumerator()
//从计算堆栈的顶部弹出当前值并将其存储到索引 3 处的局部变量列表中
IL_0050:  stloc.3
  .try
  {
//无条件地将控制转移到目标指令（短格式）。
    IL_0051:  br.s       IL_005d
//将位于特定索引处的局部变量的地址加载到计算堆栈上（短格式）。
    IL_0053:  ldloca.s   CS$5$0001
//调用get_Current()函数返回一个Object类型。
    IL_0055:  call       instance !0 valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<int32>::get_Current()
//从计算堆栈的顶部弹出当前值并将其存储到索引 1 处的局部变量列表中
    IL_005a:  stloc.1
    IL_005b:  nop
///////////注意：这里就是循环内部需要处理的代码处，在本实例中无代码
    IL_005c:  nop
//将位于特定索引处的局部变量的地址加载到计算堆栈上（短格式）。
    IL_005d:  ldloca.s   CS$5$0001
//调用MoveNext()函数运行到下一个元素
    IL_005f:  call       instance bool valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<int32>::MoveNext()
//从计算堆栈的顶部弹出当前值并将其存储到索引 2 处的局部变量列表中
    IL_0064:  stloc.2
//将索引 2 处的局部变量加载到计算堆栈上
    IL_0065:  ldloc.2
//如果 value 为 true、非空或非零，则将控制转移到目标指令（短格式）。
    IL_0066:  brtrue.s   IL_0053
//退出受保护的代码区域，无条件将控制转移到目标指令（缩写形式）。
    IL_0068:  leave.s    IL_0079
  }  // end .try
  finally
  {
//将位于特定索引处的局部变量的地址加载到计算堆栈上（短格式）。
    IL_006a:  ldloca.s   CS$5$0001
//约束要对其进行虚方法调用的类型
    IL_006c:  constrained. valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<int32>
//调用Dispose()将IEnumerator对象Dispose掉
    IL_0072:  callvirt   instance void [mscorlib]System.IDisposable::Dispose()
    IL_0077:  nop
//将控制从异常块的 fault 或 finally 子句转移回公共语言结构 (CLI) 异常处理程序
    IL_0078:  endfinally
  }  // end handler

从这里我们可以看出for方式的遍历是直接对元素集合本身的遍历，而foreach方式的遍历是对获取到元素集合的实现IEnumerator接口的对象，通过这个Current属性，调用MoveNext()函数对集合进行遍历的。

下面我们来看看for和foreach对List对象的不同数据量级别的访问时间如下,首先我们看耗时测算代码如下：

时间耗时测算代码

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //初始化一个List<int>
            List<int> listInt = new List<int>();
            for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            {
                listInt.Add(i + 1);
            }
            Console.WriteLine("--------------------------");
            //第一种for遍历
            Stopwatch sw1 = new Stopwatch();
            sw1.Start();
            for (int i = 0; i < listInt.Count; i++)
            {
            }
            sw1.Stop();
            Stopwatch sw2 = new Stopwatch();
            sw2.Start();
            //第二种foreach遍历
            foreach (int i in listInt)
            {
            }
            sw2.Stop();
            Console.WriteLine("当前得List<int>对象数目："+listInt.Count.ToString());
            Console.WriteLine(@"for     的遍历消耗时间是:" + sw1.Elapsed);
            Console.WriteLine(@"foreach 的遍历消耗时间是:" + sw2.Elapsed);
            Console.ReadLine();
        }
    }

首先List<int> listInt为100的耗时如下三图：

其次List<int> listInt为10000的耗时如下三图：

最后我们看看List<int> listInt为10000的耗时如下三图：

结语：通过本篇文章的CIL我们知道了for和foreach在.NET环境的中间语言中是如何控制和循环的，另外也更加深入的了解for和foreach的区别。最后对于效率的比较可能和环境等有比较大的差异，大家可以不放可以自己建立一个控制台程序试试。

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