.NET中的线程安全数据结构-6ren

.NET中的线程安全数据结构

转载作者：撒哈拉更新时间：2024-12-25 12:47:42

1. ConcurrentQueue
2. ConcurrentStack
3. ConcurrentBag
4. ConcurrentDictionary<TKey, TValue>
5. BlockingCollection
6. ImmutableList
7. SynchronizedCollection
8. SynchronizedReadOnlyCollection
9. SynchronizedKeyedCollection<K, T>

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
}

最后此篇关于.NET中的线程安全数据结构的文章就讲到这里了,如果你想了解更多关于.NET中的线程安全数据结构的内容请搜索CFSDN的文章或继续浏览相关文章，希望大家以后支持我的博客！。