介紹

在 .NET4.0 之前，如果我們需要在多線程環(huán)境下使用 Dictionary 類，除了自己實(shí)現(xiàn)線程同步來保證線程安全外，我們沒有其他選擇。很多開發(fā)人員肯定都實(shí)現(xiàn)過類似的線程安全方案，可能是通過創(chuàng)建全新的線程安全字典，或者僅是簡單的用一個(gè)類封裝一個(gè) Dictionary 對象，并在所有方法中加上鎖機(jī)制，我們稱這種方案叫 “Dictionary+Locks” 。

System.Collections.Concurrent 命名空間下提供多個(gè)線程安全集合類，只要多個(gè)線程同時(shí)訪問集合，就應(yīng)使用這些類來代替 System.Collections 和 System.Collections.Generic 命名空間中的相應(yīng)類型。 但是，不保證通過擴(kuò)展方法或通過顯式接口實(shí)現(xiàn)訪問集合對象是線程安全的，可能需要由調(diào)用方進(jìn)行同步。

經(jīng)典生產(chǎn)消費(fèi)問題

介紹

這個(gè)問題是最為經(jīng)典的多線程應(yīng)用問題問題就是：有一個(gè)或多個(gè)線程（生產(chǎn)者線程）產(chǎn)生一些數(shù)據(jù)，還有一個(gè)或者多個(gè)線程（消費(fèi)者線程）要取出這些數(shù)據(jù)并執(zhí)行一些相應(yīng)的工作。

Queue

接下來，我們是使用程序去描述這個(gè)問題，看下面代碼

static void Main(string[] args)
{
    int count = 0;
    // 臨界資源區(qū)
    var queue = new Queue<string>();
    // 生產(chǎn)者線程
    Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        while (true)
        {
            queue.Enqueue("mesg" + count);
            count++;
        }
    });
    // 消費(fèi)者線程1
    Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        while (true)
        {
            if (queue.Count > 0)
            {
                string value = queue.Dequeue();
                Console.WriteLine("Worker A: " + value);
            }
        }
    });
    // 消費(fèi)者線程2
    Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        while (true)
        {
            if (queue.Count > 0)
            {
                string value = queue.Dequeue();
                Console.WriteLine("Worker B: " + value);
            }
        }
    });
    Thread.Sleep(50000);
}

我們使用 Queue 模擬了一個(gè)簡單的資源池，一個(gè)生產(chǎn)者放數(shù)據(jù)，兩個(gè)消費(fèi)者消費(fèi)數(shù)據(jù)。

這個(gè)程序運(yùn)行以后會產(chǎn)生異常，異常的原因很簡單。當(dāng)某時(shí)刻，第一個(gè)消費(fèi)者判斷 queue.Count > 0 為true 時(shí)，就會到 Queue 中取數(shù)據(jù)。但是，此時(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)可能會被第二個(gè)消費(fèi)者拿走了，因?yàn)榈诙€(gè)消費(fèi)者也判斷出此時(shí)有數(shù)據(jù)可取。第一個(gè)消費(fèi)者取取數(shù)據(jù)時(shí)就會發(fā)生異常，這就是一個(gè)簡單的臨界資源線程安全問題。

知道問題了，那么如何解決呢？有兩種方案，接下來進(jìn)行講解

ConcurrentQueue

1 . 加鎖

這個(gè)方案是可行的，很多時(shí)候我們也是這么做的，包括微軟早期實(shí)現(xiàn)線程安全的 ArrayList 和 Hashtable 內(nèi)部 (Synchronized方法) 也是這么實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)方案適用于只有少量的消費(fèi)者，并且每個(gè)消費(fèi)者都會執(zhí)行大量操作的時(shí)候，這時(shí) lock 并沒什么太大問題，但是，如果是大批量短小精悍的消費(fèi)者存在的話，lock 會嚴(yán)重影響代碼的執(zhí)行效率。

2 . 線程安全的集合區(qū)

這個(gè)就是 .NET4.0 后 System.Collections.Concurrent 命名空間下提供多個(gè)線程安全集合類方案。

新的線程安全的這些集合內(nèi)部不再使用lock機(jī)制這種比較低效的方式去實(shí)現(xiàn)線程安全，而是轉(zhuǎn)而使用SpinWait 和 Interlocked 等機(jī)制，間接實(shí)現(xiàn)了線程安全，這種方式的效率要高于使用lock的方式。

var queue = new ConcurrentQueue<string>();
Task.Factory.StartNew(() =>
{
    while (true)
    {
        queue.Enqueue("msg" + count);
        count++;
    }
});
Task.Factory.StartNew(() =>
{
    while (true)
    {
        string value;
        if (queue.TryDequeue(out value))
        {
            Console.WriteLine("Worker A: " + value);
        }
    }
});
Task.Factory.StartNew(() =>
{
    while (true)
    {
        string value;
        if (queue.TryDequeue(out value))
        {
            Console.WriteLine("Worker B: " + value);
        }
    }
});

ConcurrentQueue.TryDequeue(T) 方法會嘗試獲取消費(fèi)，那能不能不要去判斷集合是否為空，集合當(dāng)自己沒有元素的時(shí)候自己 Block 一下可以嗎？答案是，可以的

BlockingCollection

針對上面的問題，我們可以使用 BlockingCollection 即可。接下來我來看

var blockingCollection = new BlockingCollection<string>();
Task.Factory.StartNew(() =>
{
    while (true)
    {
        blockingCollection.Add("msg" + count);
        count++;
    }
});
Task.Factory.StartNew(() =>
{
    while (true)
    {
        Console.WriteLine("Worker A: " + blockingCollection.Take());
    }
});
Task.Factory.StartNew(() =>
{
    while (true)
    {
        Console.WriteLine("Worker B: " + blockingCollection.Take());
    }
});

BlockingCollection 集合是一個(gè)擁有阻塞功能的集合，它就是完成了經(jīng)典生產(chǎn)者消費(fèi)者的算法功能。它沒有實(shí)現(xiàn)底層的存儲結(jié)構(gòu)，而是使用了實(shí)現(xiàn) IProducerConsumerCollection 接口的幾個(gè)集合作為底層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如 ConcurrentBag， ConcurrentStack 或者是 ConcurrentQueue。你可以在構(gòu)造BlockingCollection 實(shí)例的時(shí)候傳入這個(gè)參數(shù)，如果不指定的話，則默認(rèn)使用 ConcurrentQueue 作為存儲結(jié)構(gòu)。

而對于生產(chǎn)者來說，只需要通過調(diào)用其Add方法放數(shù)據(jù)，消費(fèi)者只需要調(diào)用Take方法來取數(shù)據(jù)就可以了。

當(dāng)然了上面的消費(fèi)者代碼中還有一點(diǎn)是讓人不爽的，那就是 while 語句，可以更優(yōu)雅一點(diǎn)嗎？答案是，可以的。

Task.Factory.StartNew(() =>
{
        foreach (string value in blockingCollection.GetConsumingEnumerable())
        {
            Console.WriteLine("Worker A: " + value);
        }
});

BlockingCollection.GetConsumingEnumerable 方法是關(guān)鍵，這個(gè)方法會遍歷集合取出數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)集合空了，則阻塞自己，直到集合中又有元素了再開始遍歷。

此時(shí)，完美了解決了生產(chǎn)者消費(fèi)者問題。然而通常來說，還有下面兩個(gè)問題我們有時(shí)需要去控制

1 . 控制集合中數(shù)據(jù)的最大數(shù)量

這個(gè)問題由 BlockingCollection 構(gòu)造函數(shù)解決，構(gòu)造該對象實(shí)例的時(shí)候，構(gòu)造函數(shù)中的 BoundedCapacity 決定了集合最大的可容納數(shù)據(jù)數(shù)量，這個(gè)比較簡單。

2 . 何時(shí)停止的問題

這個(gè)問題由 CompleteAdding 和 IsCompleted 兩個(gè)配合解決。CompleteAdding 方法是直接不允許任何元素被加入集合；當(dāng)使用了 CompleteAdding 方法后且集合內(nèi)沒有元素的時(shí)候，另一個(gè)屬性 IsCompleted 此時(shí)會為 True，這個(gè)屬性可以用來判斷是否當(dāng)前集合內(nèi)的所有元素都被處理完。生產(chǎn)者修改后的代碼：

Task.Factory.StartNew(() =>
{
    for (int count = 0; count < 10; count++)
    {
        blockingCollection.Add("msg" + count);
    }
    blockingCollection.CompleteAdding();
});

當(dāng)使用了 CompleteAdding 方法后，對象停止往集合中添加數(shù)據(jù)，這時(shí)如果是使用 GetConsumingEnumerable 枚舉的，那么這種枚舉會自然結(jié)束，不會再 Block 住集合，這種方式最優(yōu)雅，也是推薦的寫法。

但是如果是使用 TryTake 訪問元素的，則需要使用 IsCompleted 判斷一下，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候使用 TryTake 會拋InvalidOperationException 異常。接著我們看下最后的完整代碼：

static void Main(string[] args)
{
    var blockingCollection = new BlockingCollection<string>();
    var producer = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        for (int count = 0; count < 10; count++)
        {
            blockingCollection.Add("msg" + count);
            Thread.Sleep(300);
        }
        blockingCollection.CompleteAdding();
    });
    var consumer1 = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        foreach (string value in blockingCollection.GetConsumingEnumerable())
        {
            Console.WriteLine("Worker A: " + value);
        }
    });
    var consumer2 = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        foreach (string value in blockingCollection.GetConsumingEnumerable())
        {
            Console.WriteLine("Worker B: " + value);
        }
    });
    Task.WaitAll(producer, consumer1, consumer2);
}

BlockingCollection 枚舉

此外，需要注意 BlockingCollection 有兩種枚舉方法，

1 . foreach

首先 BlockingCollection 本身繼承自IEnumerable，所以它自己就可以被 foreach 枚舉，首先 BlockingCollection 包裝了一個(gè)線程安全集合，那么它自己也是線程安全的，而當(dāng)多個(gè)線程在同時(shí)修改或訪問線程安全容器時(shí)，BlockingCollection 自己作為 IEnumerable 會返回一個(gè)一定時(shí)間內(nèi)的集合片段，也就是只會枚舉在那個(gè)時(shí)間點(diǎn)上內(nèi)部集合的元素。使用這種方式枚舉的時(shí)候，不會有 Block 效果。

2 . GetConsumingEnumerable

另外一種方式就是我們上面使用的 GetConsumingEnumerable 方式的枚舉，這種方式會有 Block 效果，直到 CompleteAdding 被調(diào)用為止。

BlockingCollection 擴(kuò)展

實(shí)現(xiàn) IProducerConsumerCollection 接口的幾個(gè)集合：ConcurrentBag (線程安全的無序的元素集合)， ConcurrentStack (線程安全的堆棧) 和 ConcurrentQueue (線程安全的隊(duì)列)。這些都很簡單，功能與非線程安全的那些集合都一樣，只不過是多了 TryXXX 方法，多線程環(huán)境下使用這些方法就好了。

System.Collections.Concurrent

System.Collections.Concurrent 下面還有一些其他與多線程相關(guān)的集合，有些個(gè)類在原來的基礎(chǔ)上也添加了一下新的方法，例如：AddOrUpdate，GetOrAdd，TryXXX 等等，都很容易理解。

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！

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