.NET 中的线程安全数据结构
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在多线程编程中，线程安全的数据结构是确保数据一致性和避免竞争条件的关键。.NET 提供了多种线程安全的数据结构，适用于不同的场景，本篇将介绍它们的简单使用以及在 .NET Core 和 .NET Framework 中的可用性。
1. ConcurrentQueue
ConcurrentQueue
是一个线程安全的先进先出 (FIFO) 队列。它允许多个线程同时进行入队和出队操作，而不会导致数据不一致。
适用场景
- 生产者-消费者模式
：多个生产者线程将数据项添加到队列中，多个消费者线程从队列中取出数据项进行处理 - 任务调度
：将任务添加到队列中，由工作线程从队列中取出任务并执行
优点
- 高效的并发操作
：支持多个线程同时进行入队和出队操作 - 无锁设计
：内部使用无锁算法，避免了锁竞争，提高了性能 - 易于使用
：提供简单的 API，如
Enqueue
和
TryDequeue
可用性
- .NET Framework 4.0 及以上
- .NET Core 1.0 及以上
示例代码
using System.Collections.Concurrent;
var queue = new ConcurrentQueue<int>();
var cts = new CancellationTokenSource();
var token = cts.Token;
// 生产者任务
var producer = Task.Run(() =>
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
queue.Enqueue(i);
Console.WriteLine($"Enqueued {i}");
Thread.Sleep(100); // 模拟生产延迟
}
}, token);
// 消费者任务
var consumer = Task.Run(() =>
{
while (!token.IsCancellationRequested)
{
if (queue.TryDequeue(out int result))
{
Console.WriteLine($"Dequeued {result}");
}
Thread.Sleep(50); // 模拟消费延迟
}
}, token);
await Task.WhenAll(producer);
cts.Cancel(); // 停止消费者任务
await consumer;
2. ConcurrentStack
ConcurrentStack
是一个线程安全的后进先出 (LIFO) 堆栈。它允许多个线程同时进行入栈和出栈操作。
适用场景
- 深度优先搜索算法
：在图或树结构中进行深度优先搜索时使用 - 撤销操作
：实现撤销功能时，将操作记录入栈，撤销时从栈中弹出操作
优点
- 高效的并发操作
：支持多个线程同时进行入栈和出栈操作 - 无锁设计
：内部使用无锁算法，避免了锁竞争，提高了性能 - 易于使用
：提供简单的 API，如
Push
和
TryPop
可用性
- .NET Framework 4.0 及以上
- .NET Core 1.0 及以上
示例代码
using System.Collections.Concurrent;
var stack = new ConcurrentStack<int>();
var cts = new CancellationTokenSource();
var token = cts.Token;
// 生产者任务
var producer = Task.Run(() =>
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
stack.Push(i);
Console.WriteLine($"Pushed {i}");
Thread.Sleep(100); // 模拟生产延迟
}
}, token);
// 消费者任务
var consumer = Task.Run(() =>
{
while (!token.IsCancellationRequested)
{
if (stack.TryPop(out int result))
{
Console.WriteLine($"Popped {result}");
}
Thread.Sleep(50); // 模拟消费延迟
}
}, token);
await Task.WhenAll(producer);
cts.Cancel(); // 停止消费者任务
await consumer;
3. ConcurrentBag
ConcurrentBag
是一个线程安全的无序集合，适用于频繁添加和删除元素的场景。
适用场景
- 任务池
：将任务添加到集合中，工作线程从集合中取出任务并执行 - 缓存
：将临时数据存储在集合中，多个线程可以并发地添加和删除数据
优点
- 高效的并发操作
：支持多个线程同时进行添加和删除操作 - 无锁设计
：内部使用无锁算法，避免了锁竞争，提高了性能 - 适用于无序数据
：不关心元素顺序的场景非常适用
可用性
- .NET Framework 4.0 及以上
- .NET Core 1.0 及以上
示例代码
using System.Collections.Concurrent;
var bag = new ConcurrentBag<int>();
var cts = new CancellationTokenSource();
var token = cts.Token;
// 生产者任务
var producer = Task.Run(() =>
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
bag.Add(i);
Console.WriteLine($"Added {i}");
Thread.Sleep(100); // 模拟生产延迟
}
}, token);
// 消费者任务
var consumer = Task.Run(() =>
{
while (!token.IsCancellationRequested)
{
if (bag.TryTake(out int result))
{
Console.WriteLine($"Took {result}");
}
Thread.Sleep(50); // 模拟消费延迟
}
}, token);
await Task.WhenAll(producer);
cts.Cancel(); // 停止消费者任务
await consumer;
4. ConcurrentDictionary<TKey, TValue>
ConcurrentDictionary<TKey, TValue>
是一个线程安全的键值对集合，类似于 Dictionary<TKey, TValue>。
适用场景
- 缓存
：存储键值对数据，多个线程可以并发地读取和写入缓存 - 计数器
：存储计数器数据，多个线程可以并发地更新计数器值
优点
- 高效的并发操作
：支持多个线程同时进行读取和写入操作 - 原子操作
：支持原子操作，如
AddOrUpdate
和
GetOrAdd
，确保数据一致性 - 灵活性
：提供丰富的 API，支持多种操作
可用性
- .NET Framework 4.0 及以上
- .NET Core 1.0 及以上
示例代码
using System.Collections.Concurrent;
var dictionary = new ConcurrentDictionary<int, string>();
// 添加元素
var addTask = Task.Run(() =>
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
dictionary.TryAdd(i, $"value{i}");
Console.WriteLine($"Added key {i} with value value{i}");
}
});
// 更新元素
var updateTask = Task.Run(() =>
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
var ii = i;
dictionary.AddOrUpdate(i, $"new_value{i}", (key, oldValue) => $"new_value{ii}");
Console.WriteLine($"Updated key {i} with value new_value{i}");
}
});
// 读取元素
var readTask = Task.Run(() =>
{
foreach (var key in dictionary.Keys)
{
if (dictionary.TryGetValue(key, out string? value))
{
Console.WriteLine($"Key {key} has value {value}");
}
}
});
await Task.WhenAll(addTask, updateTask, readTask);
5. BlockingCollection
BlockingCollection
提供线程安全的添加和移除操作，并支持阻塞和限界功能。可以与
ConcurrentQueue<T>
,
ConcurrentStack<T>
,
ConcurrentBag<T>
等一起使用。
适用场景
- 生产者-消费者模式
：多个生产者线程将数据项添加到集合中，多个消费者线程从集合中取出数据项进行处理 - 任务调度
：将任务添加到集合中，由工作线程从集合中取出任务并执行
优点
- 阻塞操作
：支持阻塞添加和移除操作，适用于生产者-消费者模式 - 限界功能
：支持设置集合的最大容量，防止过度填充 - 灵活性
：可以与多种集合类型一起使用，如
ConcurrentQueue<T>
可用性
- .NET Framework 4.0 及以上
- .NET Core 1.0 及以上
示例代码
using System.Collections.Concurrent;
var collection = new BlockingCollection<int>(boundedCapacity: 5);
var cts = new CancellationTokenSource();
var token = cts.Token;
// 生产者任务
var producer = Task.Run(() =>
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
collection.Add(i);
Console.WriteLine($"Added {i}");
Thread.Sleep(100); // 模拟生产延迟
}
collection.CompleteAdding();
}, token);
// 消费者任务
var consumer = Task.Run(() =>
{
foreach (var item in collection.GetConsumingEnumerable(token))
{
Console.WriteLine($"Consumed {item}");
Thread.Sleep(50); // 模拟消费延迟
}
}, token);
await Task.WhenAll(producer, consumer);
6. ImmutableList
ImmutableList
是线程安全的，因为所有修改操作都会返回一个新的集合实例。
适用场景
- 配置数据
：存储配置数据，多个线程可以并发地读取配置数据，而无需担心数据被修改 - 快照
：在某个时间点获取数据的快照，多个线程可以并发地读取快照数据
优点
- 天然线程安全
：由于集合不可变，多个线程可以安全地并发读取 - 数据一致性
：所有修改操作都会返回一个新的集合实例，保证数据一致性 - 易于使用
：提供丰富的 API，支持多种操作
可用性
- .NET Framework 4.5 及以上（需要安装
System.Collections.Immutable
NuGet 包） - .NET Core 1.0 及以上（需要安装
System.Collections.Immutable
NuGet 包）
示例代码
var list = ImmutableList.Create(1, 2, 3);
var newList = list.Add(4);
Console.WriteLine(string.Join(", ", newList)); // 输出 1, 2, 3, 4
7. SynchronizedCollection
SynchronizedCollection
是一个线程安全的集合，适用于需要同步访问的场景。
适用场景
- 共享资源管理
：管理共享资源的集合，多个线程可以并发地访问和修改集合 - 事件订阅
：存储事件订阅者，多个线程可以并发地添加和移除订阅者
优点
- 内置同步机制
：自动处理同步，确保线程安全 - 易于使用
：提供简单的 API，如
Add
和
Remove - 灵活性
：支持多种集合操作
可用性
- .NET Framework 3.5 及以上
- .NET Core 1.0 及以上
示例代码
var collection = new SynchronizedCollection<int>();
collection.Add(1);
collection.Add(2);
foreach (var item in collection)
{
Console.WriteLine(item); // 输出 1 和 2
}
8. SynchronizedReadOnlyCollection
SynchronizedReadOnlyCollection
是一个线程安全的只
读集合。
适用场景
- 配置数据
：存储只读的配置数据，多个线程可以并发地读取配置数据 - 共享数据
：存储共享数据，多个线程可以并发地读取数据，而无需担心数据被修改
优点
- 内置同步机制
：自动处理同步，确保线程安全 - 易于使用
：提供简单的 API，如
Contains
和
CopyTo - 数据保护
：只读特性确保数据不会被修改
可用性
- .NET Framework 3.0 及以上
- .NET Core 1.0 及以上
示例代码
var list = new List<int> { 1, 2, 3 };
var readOnlyCollection = new SynchronizedReadOnlyCollection<int>(list);
foreach (var item in readOnlyCollection)
{
Console.WriteLine(item); // 输出 1, 2, 3
}
9. SynchronizedKeyedCollection<K, T>
SynchronizedKeyedCollection<K, T>
是一个线程安全的键控集合。
使用场景
- 缓存
：存储键控数据，多个线程可以并发地读取和写入缓存 - 资源管理
：管理键控资源的集合，多个线程可以并发地访问和修改集合
优点
- 内置同步机制
：自动处理同步，确保线程安全 - 键控访问
：支持通过键快速访问元素 - 灵活性
：支持多种集合操作
可用性
- .NET Framework 3.0 及以上
- .NET Core 1.0 及以上
示例代码
public class MyItem
{
public int Id { get; set; }
public string Name { get; set; }
}
var collection = new SynchronizedKeyedCollection<int, MyItem>(item => item.Id);
collection.Add(new MyItem { Id = 1, Name = "Item1" });
collection.Add(new MyItem { Id = 2, Name = "Item2" });
foreach (var item in collection)
{
Console.WriteLine(item.Name); // 输出 Item1 和 Item2
}
