遅延評価を壊さない LINQ ポリフィルの設計原則 — Append・Prepend・TakeLast・SkipLast の実装

using System;
using System.Collections.Generic;

#if !NETCOREAPP // .NET Core / .NET 5 以降ではない環境（.NET Framework など）のみ有効化

namespace System.Linq
{
    /// <summary>
    /// .NET Framework 環境に .NET 5 相当の LINQ メソッドをバックポートする拡張クラス
    /// </summary>
    public static partial class LinqExtensions
    {
        // ==========================================
        // 1. Append
        // ==========================================
        public static IEnumerable<TSource> Append<TSource>(this IEnumerable<TSource> source, TSource element)
        {
            if (source == null) throw new ArgumentNullException(nameof(source));
            return AppendIterator(source, element);
        }

        private static IEnumerable<TSource> AppendIterator<TSource>(IEnumerable<TSource> source, TSource element)
        {
            foreach (var item in source)
            {
                yield return item;
            }
            yield return element;
        }

        // ==========================================
        // 2. Prepend
        // ==========================================
        public static IEnumerable<TSource> Prepend<TSource>(this IEnumerable<TSource> source, TSource element)
        {
            if (source == null) throw new ArgumentNullException(nameof(source));
            return PrependIterator(source, element);
        }

        private static IEnumerable<TSource> PrependIterator<TSource>(IEnumerable<TSource> source, TSource element)
        {
            yield return element;
            foreach (var item in source)
            {
                yield return item;
            }
        }

        // ==========================================
        // 3. TakeLast
        // ==========================================
        public static IEnumerable<TSource> TakeLast<TSource>(this IEnumerable<TSource> source, int count)
        {
            if (source == null) throw new ArgumentNullException(nameof(source));
            if (count <= 0) return Enumerable.Empty<TSource>();

            return TakeLastIterator(source, count);
        }

        private static IEnumerable<TSource> TakeLastIterator<TSource>(IEnumerable<TSource> source, int count)
        {
            var queue = new Queue<TSource>(count);
            foreach (var item in source)
            {
                if (queue.Count == count)
                {
                    queue.Dequeue();
                }
                queue.Enqueue(item);
            }

            foreach (var item in queue)
            {
                yield return item;
            }
        }

        // ==========================================
        // 4. SkipLast
        // ==========================================
        public static IEnumerable<TSource> SkipLast<TSource>(this IEnumerable<TSource> source, int count)
        {
            if (source == null) throw new ArgumentNullException(nameof(source));
            if (count <= 0) return source;

            return SkipLastIterator(source, count);
        }

        private static IEnumerable<TSource> SkipLastIterator<TSource>(IEnumerable<TSource> source, int count)
        {
            var queue = new Queue<TSource>(count);
            foreach (var item in source)
            {
                if (queue.Count == count)
                {
                    yield return queue.Dequeue();
                }
                queue.Enqueue(item);
            }
        }
    }
}

#endif

// 悪い設計の例（1 つにまとめた場合）
public static IEnumerable<TSource> Append<TSource>(this IEnumerable<TSource> source, TSource element)
{
    if (source == null) throw new ArgumentNullException(nameof(source)); // ①

    foreach (var item in source)
    {
        yield return item;
    }
    yield return element;
}

IEnumerable<int> numbers = null;

var result = numbers.Append(5); // ここではエラーが起きない

Console.WriteLine("後続のロジックが走る...");

foreach (var item in result) // ここで初めて ArgumentNullException が発生する

foreach (var item in source)
{
    yield return item; // 元のデータをそのまま通過させる
}
yield return element; // 元データが尽きたら末尾に追加する

yield return element; // 最初に追加したい要素を流す

foreach (var item in source)
{
    yield return item; // その後、元のデータを追いかける
}

var appended = new[] { 1, 2, 3 }.Append(4);   // 1, 2, 3, 4
var prepended = new[] { 1, 2, 3 }.Prepend(0); // 0, 1, 2, 3

var queue = new Queue<TSource>(count);

foreach (var item in source)
{
    if (queue.Count == count)
    {
        queue.Dequeue(); // 最も古いデータを押し出す
    }
    queue.Enqueue(item);
}

foreach (var item in queue)
{
    yield return item; // 残っているのが「最後の N 個」
}

var queue = new Queue<TSource>(count);

foreach (var item in source)
{
    if (queue.Count == count)
    {
        yield return queue.Dequeue(); // 末尾 N 個以内でないことが確定した要素を流す
    }
    queue.Enqueue(item);
}
// ループ終了時にキューへ残った「最後の N 個」は出力されずに終わる（= スキップ）

var taken = new[] { 1, 2, 3, 4, 5 }.TakeLast(3);  // 3, 4, 5
var skipped = new[] { 1, 2, 3, 4, 5 }.SkipLast(2); // 1, 2, 3

#if !NETCOREAPP
namespace System.Linq
{
    // 拡張メソッドの実装...
}
#endif