C#並行編程-並發集合
背景
基於任務的程序設計、命令式數據並行和任務並行都要求能夠支持並發更新的數組、列表和集合。
在.NET Framework 4 以前，為了讓共享的數組、列表和集合能夠被多個線程更新，需要添加復雜的代碼來同步這些更新操作。
如您需要編寫一個並行循環，這個循環以無序的方式向一個共享集合中添加元素，那麼必須加入一個同步機制來保證這是一個線程安全的集合。
System.Collenctions和System.Collenctions.Generic 名稱空間中所提供的經典列表、集合和數組的線程都不是安全的，不能接受並發請求，因此需要對相應的操作方法執行串行化。
下面看代碼，代碼中並沒有實現線程安全和串行化：
復制代碼
class Program
{
private static object o = new object();
private static List<Product> _Products { get; set; }
/* coder:釋迦苦僧
* 代碼中 創建三個並發線程 來操作_Products 集合
* System.Collections.Generic.List 這個列表在多個線程訪問下，不能保證是安全的線程，所以不能接受並發的請求，我們必須對ADD方法的執行進行串行化
*/
static void Main(string[] args)
{
_Products = new List<Product>();
/*創建任務 t1 t1 執行 數據集合添加操作*/
Task t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddProducts();
});
/*創建任務 t2 t2 執行 數據集合添加操作*/
Task t2 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddProducts();
});
/*創建任務 t3 t3 執行 數據集合添加操作*/
Task t3 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddProducts();
});
Task.WaitAll(t1, t2, t3);
Console.WriteLine(_Products.Count);
Console.ReadLine();
}
/*執行集合數據添加操作*/
static void AddProducts()
{
Parallel.For(0, 1000, (i) =>
{
Product product = new Product();
product.Name = "name" + i;
product.Category = "Category" + i;
product.SellPrice = i;
_Products.Add(product);
});
}
}
class Product
{
public string Name { get; set; }
public string Category { get; set; }
public int SellPrice { get; set; }
}
復制代碼
代碼中開啟了三個並發操作，每個操作都向集合中添加1000條數據，在沒有保障線程安全和串行化的運行下，實際得到的數據並沒有3000條，結果如下：
為此我們需要采用Lock關鍵字，來確保每次只有一個線程來訪問 _Products.Add(product); 這個方法，代碼如下：
復制代碼
class Program
{
private static object o = new object();
private static List<Product> _Products { get; set; }
/* coder:釋迦苦僧
* 代碼中 創建三個並發線程 來操作_Products 集合
* System.Collections.Generic.List 這個列表在多個線程訪問下，不能保證是安全的線程，所以不能接受並發的請求，我們必須對ADD方法的執行進行串行化
*/
static void Main(string[] args)
{
_Products = new List<Product>();
/*創建任務 t1 t1 執行 數據集合添加操作*/
Task t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddProducts();
});
/*創建任務 t2 t2 執行 數據集合添加操作*/
Task t2 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddProducts();
});
/*創建任務 t3 t3 執行 數據集合添加操作*/
Task t3 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddProducts();
});
Task.WaitAll(t1, t2, t3);
Console.WriteLine("當前數據量為：" + _Products.Count);
Console.ReadLine();
}
/*執行集合數據添加操作*/
static void AddProducts()
{
Parallel.For(0, 1000, (i) =>
{
Product product = new Product();
product.Name = "name" + i;
product.Category = "Category" + i;
product.SellPrice = i;
lock (o)
{
_Products.Add(product);
}
});
}
}
class Product
{
public string Name { get; set; }
public string Category { get; set; }
public int SellPrice { get; set; }
}
復制代碼
但是鎖的引入，帶來了一定的開銷和性能的損耗，並降低了程序的擴展性，在並發編程中顯然不適用。
System.Collections.Concurrent
.NET Framework 4提供了新的線程安全和擴展的並發集合，它們能夠解決潛在的死鎖問題和競爭條件問題，因此在很多復雜的情形下它們能夠使得並行代碼更容易編寫，這些集合盡可能減少需要使用鎖的次數，從而使得在大部分情形下能夠優化為最佳性能，不會產生不必要的同步開銷。
需要注意的是：
線程安全並不是沒有代價的，比起System.Collenctions和System.Collenctions.Generic命名空間中的列表、集合和數組來說，並發集合會有更大的開銷。因此，應該只在需要從多個任務中並發訪問集合的時候才使用並發幾個，在串行代碼中使用並發集合是沒有意義的，因為它們會增加無謂的開銷。
為此，在.NET Framework中提供了System.Collections.Concurrent新的命名空間可以訪問用於解決線程安全問題，通過這個命名空間能訪問以下為並發做好了准備的集合。
1.BlockingCollection 與經典的阻塞隊列數據結構類似，能夠適用於多個任務添加和刪除數據，提供阻塞和限界能力。
2.ConcurrentBag 提供對象的線程安全的無序集合
3.ConcurrentDictionary 提供可有多個線程同時訪問的鍵值對的線程安全集合
4.ConcurrentQueue 提供線程安全的先進先出集合
5.ConcurrentStack 提供線程安全的後進先出集合
這些集合通過使用比較並交換和內存屏障等技術，避免使用典型的互斥重量級的鎖，從而保證線程安全和性能。
ConcurrentQueue
ConcurrentQueue 是完全無鎖的，能夠支持並發的添加元素，先進先出。下面貼代碼，詳解見注釋：
復制代碼
class Program
{
private static object o = new object();
/*定義 Queue*/
private static Queue<Product> _Products { get; set; }
private static ConcurrentQueue<Product> _ConcurrenProducts { get; set; }
/* coder:釋迦苦僧
* 代碼中 創建三個並發線程 來操作_Products 和 _ConcurrenProducts 集合，每次添加 10000 條數據 查看 一般隊列Queue 和 多線程安全下的隊列ConcurrentQueue 執行情況
*/
static void Main(string[] args)
{
Thread.Sleep(1000);
_Products = new Queue<Product>();
Stopwatch swTask = new Stopwatch();
swTask.Start();
/*創建任務 t1 t1 執行 數據集合添加操作*/
Task t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddProducts();
});
/*創建任務 t2 t2 執行 數據集合添加操作*/
Task t2 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddProducts();
});
/*創建任務 t3 t3 執行 數據集合添加操作*/
Task t3 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddProducts();
});
Task.WaitAll(t1, t2, t3);
swTask.Stop();
Console.WriteLine("List<Product> 當前數據量為：" + _Products.Count);
Console.WriteLine("List<Product> 執行時間為：" + swTask.ElapsedMilliseconds);
Thread.Sleep(1000);
_ConcurrenProducts = new ConcurrentQueue<Product>();
Stopwatch swTask1 = new Stopwatch();
swTask1.Start();
/*創建任務 tk1 tk1 執行 數據集合添加操作*/
Task tk1 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddConcurrenProducts();
});
/*創建任務 tk2 tk2 執行 數據集合添加操作*/
Task tk2 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddConcurrenProducts();
});
/*創建任務 tk3 tk3 執行 數據集合添加操作*/
Task tk3 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddConcurrenProducts();
});
Task.WaitAll(tk1, tk2, tk3);
swTask1.Stop();
Console.WriteLine("ConcurrentQueue<Product> 當前數據量為：" + _ConcurrenProducts.Count);
Console.WriteLine("ConcurrentQueue<Product> 執行時間為：" + swTask1.ElapsedMilliseconds);
Console.ReadLine();
}
/*執行集合數據添加操作*/
static void AddProducts()
{
Parallel.For(0, 30000, (i) =>
{
Product product = new Product();
product.Name = "name" + i;
product.Category = "Category" + i;
product.SellPrice = i;
lock (o)
{
_Products.Enqueue(product);
}
});
}
/*執行集合數據添加操作*/
static void AddConcurrenProducts()
{
Parallel.For(0, 30000, (i) =>
{
Product product = new Product();
product.Name = "name" + i;
product.Category = "Category" + i;
product.SellPrice = i;
_ConcurrenProducts.Enqueue(product);
});
}
}
class Product
{
public string Name { get; set; }
public string Category { get; set; }
public int SellPrice { get; set; }
}
復制代碼
需要注意的是，代碼中的輸出時間並不能夠完全正確的展示出並發代碼下的ConcurrentQueue性能，采用ConcurrentQueue在一定程度上也帶來了損耗，如下圖所示：
ConcurrentQueue 還有另外兩種方法：TryDequeue 嘗試移除並返回 和 TryPeek 嘗試返回但不移除，下面貼代碼：
復制代碼
class Program
{
private static object o = new object();
private static ConcurrentQueue<Product> _ConcurrenProducts { get; set; }
/* coder:釋迦苦僧
* ConcurrentQueue 下的 TryPeek 和 TryDequeue
*/
static void Main(string[] args)
{
_ConcurrenProducts = new ConcurrentQueue<Product>();
/*執行添加操作*/
Console.WriteLine("執行添加操作");
Parallel.Invoke(AddConcurrenProducts, AddConcurrenProducts);
Console.WriteLine("ConcurrentQueue<Product> 當前數據量為：" + _ConcurrenProducts.Count);
/*執行TryPeek操作 嘗試返回不移除*/
Console.WriteLine("執行TryPeek操作 嘗試返回不移除");
Parallel.Invoke(PeekConcurrenProducts, PeekConcurrenProducts);
Console.WriteLine("ConcurrentQueue<Product> 當前數據量為：" + _ConcurrenProducts.Count);
/*執行TryDequeue操作 嘗試返回並移除*/
Console.WriteLine("執行TryDequeue操作 嘗試返回並移除");
Parallel.Invoke(DequeueConcurrenProducts, DequeueConcurrenProducts);
Console.WriteLine("ConcurrentQueue<Product> 當前數據量為：" + _ConcurrenProducts.Count);
Console.ReadLine();
}
/*執行集合數據添加操作*/
static void AddConcurrenProducts()
{
Parallel.For(0, 100, (i) =>
{
Product product = new Product();
product.Name = "name" + i;
product.Category = "Category" + i;
product.SellPrice = i;
_ConcurrenProducts.Enqueue(product);
});
}
/*嘗試返回 但不移除*/
static void PeekConcurrenProducts()
{
Parallel.For(0, 2, (i) =>
{
Product product = null;
bool excute = _ConcurrenProducts.TryPeek(out product);
Console.WriteLine(product.Name);
});
}
/*嘗試返回 並 移除*/
static void DequeueConcurrenProducts()
{
Parallel.For(0, 2, (i) =>
{
Product product = null;
bool excute = _ConcurrenProducts.TryDequeue(out product);
Console.WriteLine(product.Name);
});
}
}
class Product
{
public string Name { get; set; }
public string Category { get; set; }
public int SellPrice { get; set; }
}
復制代碼
需要注意 TryDequeue 和 TryPeek 的無序性，在多線程下
ConcurrentStack 是完全無鎖的，能夠支持並發的添加元素，後進先出。下面貼代碼，詳解見注釋：
復制代碼
private static object o = new object();
/*定義 Stack*/
private static Stack<Product> _Products { get; set; }
private static ConcurrentStack<Product> _ConcurrenProducts { get; set; }
/* coder:釋迦苦僧
* 代碼中 創建三個並發線程 來操作_Products 和 _ConcurrenProducts 集合，每次添加 30000 條數據 查看 一般Stack 和 多線程安全下的 ConcurrentStack 執行情況
*/
static void Main(string[] args)
{
Thread.Sleep(1000);
_Products = new Stack<Product>();
Stopwatch swTask = new Stopwatch();
swTask.Start();
/*創建任務 t1 t1 執行 數據集合添加操作*/
Task t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddProducts();
});
/*創建任務 t2 t2 執行 數據集合添加操作*/
Task t2 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddProducts();
});
/*創建任務 t3 t3 執行 數據集合添加操作*/
Task t3 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddProducts();
});
Task.WaitAll(t1, t2, t3);
swTask.Stop();
Console.WriteLine("List<Product> 當前數據量為：" + _Products.Count);
Console.WriteLine("List<Product> 執行時間為：" + swTask.ElapsedMilliseconds);
Thread.Sleep(1000);
_ConcurrenProducts = new ConcurrentStack<Product>();
Stopwatch swTask1 = new Stopwatch();
swTask1.Start();
/*創建任務 tk1 tk1 執行 數據集合添加操作*/
Task tk1 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddConcurrenProducts();
});
/*創建任務 tk2 tk2 執行 數據集合添加操作*/
Task tk2 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddConcurrenProducts();
});
/*創建任務 tk3 tk3 執行 數據集合添加操作*/
Task tk3 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
AddConcurrenProducts();
});
Task.WaitAll(tk1, tk2, tk3);
swTask1.Stop();
Console.WriteLine("ConcurrentStack<Product> 當前數據量為：" + _ConcurrenProducts.Count);
Console.WriteLine("ConcurrentStack<Product> 執行時間為：" + swTask1.ElapsedMilliseconds);
Console.ReadLine();
}
/*執行集合數據添加操作*/
static void AddProducts()
{
Parallel.For(0, 30000, (i) =>
{
Product product = new Product();
product.Name = "name" + i;
product.Category = "Category" + i;
product.SellPrice = i;
lock (o)
{
_Products.Push(product);
}
});
}
/*執行集合數據添加操作*/
static void AddConcurrenProducts()
{
Parallel.For(0, 30000, (i) =>
{
Product product = new Product();
product.Name = "name" + i;
product.Category = "Category" + i;
product.SellPrice = i;
_ConcurrenProducts.Push(product);
});
}
}
class Product
{
public string Name { get; set; }
public string Category { get; set; }
public int SellPrice { get; set; }
}
復制代碼
ConcurrentStack 還有另外兩種方法：TryPop 嘗試移除並返回 和 TryPeek 嘗試返回但不移除，下面貼代碼：
復制代碼
class Program
{
private static object o = new object();
private static ConcurrentStack<Product> _ConcurrenProducts { get; set; }
/* coder:釋迦苦僧
* ConcurrentQueue 下的 TryPeek 和 TryPop
*/
static void Main(string[] args)
{
_ConcurrenProducts = new ConcurrentStack<Product>();
/*執行添加操作*/
Console.WriteLine("執行添加操作");
Parallel.Invoke(AddConcurrenProducts, AddConcurrenProducts);
Console.WriteLine("ConcurrentStack<Product> 當前數據量為：" + _ConcurrenProducts.Count);
/*執行TryPeek操作 嘗試返回不移除*/
Console.WriteLine("執行TryPeek操作 嘗試返回不移除");
Parallel.Invoke(PeekConcurrenProducts, PeekConcurrenProducts);
Console.WriteLine("ConcurrentStack<Product> 當前數據量為：" + _ConcurrenProducts.Count);
/*執行TryDequeue操作 嘗試返回並移除*/
Console.WriteLine("執行TryPop操作 嘗試返回並移除");
Parallel.Invoke(PopConcurrenProducts, PopConcurrenProducts);
Console.WriteLine("ConcurrentStack<Product> 當前數據量為：" + _ConcurrenProducts.Count);
Console.ReadLine();
}
/*執行集合數據添加操作*/
static void AddConcurrenProducts()
{
Parallel.For(0, 100, (i) =>
{
Product product = new Product();
product.Name = "name" + i;
product.Category = "Category" + i;
product.SellPrice = i;
_ConcurrenProducts.Push(product);
});
}
/*嘗試返回 但不移除*/
static void PeekConcurrenProducts()
{
Parallel.For(0, 2, (i) =>
{
Product product = null;
bool excute = _ConcurrenProducts.TryPeek(out product);
Console.WriteLine(product.Name);
});
}
/*嘗試返回 並 移除*/
static void PopConcurrenProducts()
{
Parallel.For(0, 2, (i) =>
{
Product product = null;
bool excute = _ConcurrenProducts.TryPop(out product);
Console.WriteLine(product.Name);
});
}
}
class Product
{
public string Name { get; set; }
public string Category { get; set; }
public int SellPrice { get; set; }
}
