深度理解 C# 中的 for 和 foreach

1 前言

很多人认为，在C#中 for 和 foreach 功能是一样的，foreach 顶多就是比 for 要更方便一些。但是实际上真的是这样吗？在本文中，让我们通过一个实例来理解其底层的工作原理。
2 for VS foreach

首先，请看下面的代码段：

1. List<Person> people = new List<Person>();
2. for(int i = 0; i < 100; i++){
3.         var p = people[i];
4.         // TODO: 下面的代码处理 p
5.        
6. }

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1. List<Person> people = new List<Person>();
2. foreach(var p in people)
3.         // TODO: 下面的代码处理p
4. }

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我们可以看到，在 TODO 下方，都是直接使用 p 就可以完成相关操作。两者从使用上来说，foreach 能够比 for 省去一个赋值语句（），也就仅此而已，两者感觉完全是一样的，但是实际上真的是这样吗？
3 一个示例

在回答问题之前，让我们再看这样的一个示例。以下代码先定义了一个列表 List list并添加3亿个整型数，然后分别使用 for 和 foreach 进行累加求和，结果分别保存在 sum1 和 sum2 中，并对这两种方法进行计时，在最后输出计算结果和所用时间。

1. static void Main(string[] args)
2. {
3.      Console.WriteLine("processing...");
4.      int size = 300_000_000;
5.      List<int> list = new List<int>(size);
6.      for (int i = 0; i < size; i++)
7.          list.Add(i);
9.         // 使用 for 求和
10.      var t1 = DateTime.Now;
11.      double sum1 = 0;
12.      for (int i = 0; i < list.Count; i++)
13.          sum1 += list[i];
14.      var t2 = DateTime.Now;
15.      
16.      // 使用 foreach 求和
17.      double sum2 = 0;
18.      foreach (var v in list)
19.          sum2 += v;
20.      var t3 = DateTime.Now;
21.      
22.      // 输出结果
23.      Console.WriteLine($"done.\nResult: sum1={sum1}, sum2={sum2}");
24.      Console.WriteLine($"time1: {t2 - t1}\ntime2: {t3 - t2}");
25. }

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输出如下：

1. processing...
2. done.
3. Result: sum1=44999999767108860, sum2=44999999767108860
4. time1: 00:00:01.1345446
5. time2: 00:00:00.6056811

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4 原理分析

通过结果分析，我们可以看出，使用 for 循环与 foreach 的用时相差近1倍，通过多次测试也基本是这个结果。这个时间差显然不是误差，根本原因就在于两者实现的方式不同：

• for 对 list 中的元素逐一进行访问，由于 list 是列表，所以每次在访问 list 时，需要重新定位，因此要消耗很多的定位时间；
  
• foreach 则是只对 list 进行一次遍历，从第1个元素开始直到最后一个元素，具体在实现中使用 yield return 来实现（可以参见之前我的文章 深入理解C#中yield return的用法 ）。
  

所以，foreach 是为可迭代的对象(iteratable)专门设计的，能够只遍历一次的情况下，完成对有元素的访问。
明白了这个原理，我们可以将 list 换成数组，再测试一次，代码和结果如下：

1.         static void Main(string[] args)
2.         {
3.             //Test1();
4.             //Test2();
5.              Thread.Sleep(4000);
6.             Console.WriteLine("processing...");
7.             int size = 300_000_000;
8.             int[] arr = new int[size];
9.             for (int i = 0; i < size; i++)
10.                 arr[i] = i;
12.             var t1 = DateTime.Now;
13.             double sum1 = 0;
14.             for (int i = 0; i < arr.Length; i++)
15.                 sum1 += arr[i];
16.             var t2 = DateTime.Now;
17.             double sum2 = 0;
18.             foreach (var v in arr)
19.                 sum2 += v;
20.             var t3 = DateTime.Now;
21.             Console.WriteLine($"done.\nResult: sum1={sum1}, sum2={sum2}");
22.             Console.WriteLine($"time1: {t2 - t1}\ntime2: {t3 - t2}");
23.         }

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结果

1. processing...
2. done.
3. Result: sum1=44999999767108860, sum2=44999999767108860
4. time1: 00:00:00.6329427
5. time2: 00:00:00.6343659

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由于数组有较好的随机访问性能，所以两者的结果基本一样。如果再换一种数据类型，比如 LinkedList，由于其随机读写性能较 List 更差，所以两者的时间差会更大，即 foreach 的优势更明显，有兴趣的读者可以自行尝试一下。
5 总结

C#中的 for 和 foreach 的设计目的是不一样的，for 是一般性的循环，而 foreach 是专门用于可以迭代的集合的循环方法，能够有效地减少访问次数，从而达到优化的效果。因此，在遍历随机访问性能的集合时，两者区别不大，而随机访问性能差时，优先使用foreach 会取得更好的性能。

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