あまり使うシチュエーションもなさそうだが、興味があったので調べてみた。
Ruby のバージョンは下記の通り。

$ ruby -v
ruby 2.2.2p95 (2015-04-13 revision 5Th0295) [x86_64-darwin14]

実験

a = (0..9).to_a
b = (10..14).to_a
a.each do |i|
  if i == 0
    a.concat(b) # 1 回目のループで末尾に要素追加
  end
  puts i
end

末尾に追加した要素も列挙されるようだ。
最初のほうの要素を削除したらどうなるだろう。

a = (0..9).to_a
a.each do |i|
  if i == 0
    a[0..1] = [] # 1 回目のループで最初の 2 要素を削除
  end
  puts i
end

1 度目のブロック実行後、a は [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] になっている。
つまり 2 度目のブロックには a[1] が渡されているようだ。

これらの挙動から次のことが予想できる。

ブロック実行毎にインデックスをインクリメントして、ブロック実行直前に要素を取り出している。
終了条件のチェックでは毎回、配列の長さを調べ直している。

実装を確認してみよう。

実装の確認

array.c というファイルがあるので、ここに実装がありそう。これかな。

// https://github.com/ruby/ruby/blob/trunk/array.c#L1808
VALUE
rb_ary_each(VALUE ary)
{
    long i;

    RETURN_SIZED_ENUMERATOR(ary, 0, 0, ary_enum_length);
    for (i=0; i<RARRAY_LEN(ary); i++) {
    rb_yield(RARRAY_AREF(ary, i));
    }
    return ary;
}

// いちおう rb_define_method で Ruby のメソッドと対応してることを確認する。
// https://github.com/ruby/ruby/blob/trunk/array.c#L5810
    rb_define_method(rb_cArray, "each", rb_ary_each, 0);

RETURN_SIZED_ENUMERATOR は block がなければ Enumerator を返すマクロっぽい。
RARRAY_LEN は配列の要素数の取得、RARRAY_AREF はインデックスから要素を取得するマクロだろう (名称と文脈からの推測)。

Ruby で書けばこんな感じだ。
ただし、実際には length や size メソッドを呼んでいるわけではないので、これらのメソッドを上書きしても挙動は変わらない。

class Array
  def each
    return enum_for unless block_given?
    i = 0
    while i < length
      yield self[i]
      i += 1
    end
  end
end

前節で予想した内容と一致した。

Array#each のブロック内で配列の長さを変更したらどうなる?

実験

実装の確認