foreach の内部動作を徹底解剖 ― C# コンパイラは舞台裏で何をしているのか？

2025年8月2日

TL;DR

• foreach は 構文糖衣。コンパイラが GetEnumerator()・MoveNext()・Current（必要なら Dispose()）を呼び出すコードに変換する。
• IEnumerable 実装は必須ではなく、“パターン”（同名メンバーを持つだけ）でも動く。 
• 配列は特別扱いで 単純な for ループ に書き換わり、ボクシングが発生しない。 
• await foreach は非同期版 (GetAsyncEnumerator / MoveNextAsync) を呼び出す。 
• パフォーマンス最適化：構造体（struct）列挙子や Span<T> を使えば割り当てゼロで回せる。

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1. なぜ foreach を使うのか

• インデックスを意識せず可読性が高い
• try/finally による確実なリソース解放（IDisposable）を自動化
• 型安全（ジェネリックでキャスト不要）

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2. コンパイラが生成するコードを覗く

ソース

foreach (var n in numbers)
{
    Console.WriteLine(n);
}

実際に生成される C#（擬似コード）

using (var e = numbers.GetEnumerator())   // ① 列挙子取得
{
    while (e.MoveNext())                  // ② 次の要素へ
    {
        var n = e.Current;                // ③ 現在要素
        Console.WriteLine(n);
    }                                     // ④ finally で Dispose()
}

• using 相当の try/finally が必ず挿入される。

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3. 列挙パターンの 4 要件

要件	役割
public GetEnumerator()	列挙子を返す（拡張メソッドでも可）
bool MoveNext()	次へ進み、要素があれば true
Current プロパティ	現在要素を返す
Dispose() (任意)	後片付け

これら 名前さえ合えば インターフェース実装なしでも foreach は可能（いわゆるダックタイピング）。 

C# 9 では拡張メソッド版 GetEnumerator() も正式サポート。 

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4. 配列・Span<T>・List<T> ― 型ごとの最適化

型	変換後	特徴
配列	for (int i = 0; i < arr.Length; i++) …	ボクシングなし、最速
Span<T>	インライン化された ref 構造体列挙子	GC ヒープ割り当てゼロ
汎用コレクション	IEnumerator<T>	要素数不明でも走査可

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5. yield return とカスタム列挙子

yield return 付きメソッドは、コンパイラが ステートマシン クラス（列挙子）を自動生成。ローカル変数や戻り位置を保持して連続呼び出しに対応する。 

public static IEnumerable<int> Range(int start, int count)
{
    for (int i = 0; i < count; i++)
        yield return start + i;
}

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6. await foreach と非同期列挙

• 必要メンバーは GetAsyncEnumerator / MoveNextAsync / Current
• MoveNextAsync は Task<bool> または ValueTask<bool> を返す。 
• データストリームや I/O バウンド処理との相性が良い。 

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7. パフォーマンス指標とベンチマークの勘所

• ヒープ割り当て：クラス列挙子は GC 負荷；struct 列挙子で回避
• 境界チェック：配列 for は JIT 最適化で Bounds Check Hoisting（BCH）が効く
• インライン展開：手書き for より列挙子呼び出しがボトルネックになる場合あり
• Span や Ref‐Readonly 列挙（C# 7.3～）でゼロコストを狙う

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8. ありがちな落とし穴

症状	原因/対策
コレクションを走査中に変更すると InvalidOperationException	変更しない or for + インデックス
Dispose されない 独自列挙子	IDisposable 実装を忘れずに
ボクシングが発生	値型コレクション＋非ジェネリック列挙子に注意
foreach vs for どちらが速い?	小規模配列なら for が有利、可読性とトレードオフで選択

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9. まとめ & 練習課題

• foreach は コンパイル時に展開される構文糖衣。舞台裏を理解すると自作コレクションやパフォーマンスチューニングに直結。
• 課題
  1. 10 要素の int[] を foreach と for で回し、BenchmarkDotNet で速度差を計測せよ。
  2. yield return を使わずに、自分で IEnumerator<int> を実装してみよう。
  3. await foreach で GitHub API からページネーション付きにリポジトリ一覧を流すサンプルを書き、キャンセル処理を組み込め。

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これで “黒魔術” と言われがちな foreach の裏側が見えるはずです。内部実装を知ることで、コードレビューや最適化の説得力が一段アップします。