多线程编程学习笔记——使用并发集合（一）

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接上文 多线程编程学习笔记——async和await（二）

接上文 多线程编程学习笔记——async和await（三）

        编程需要对基本的数据结构和算法有所了解。程序员为并发情况 选择最合适 的数据结构，那就需要知道算法运行时间、空间复杂度等。

        对于并行计算，我们需要使用适当的数据结构，这些数据结构需要具备可伸缩性，尽可能地避免死锁，同时还能提供线程安全的访问。.Net Framework 4.0引入了System.Collections.Concurrent命名空间，其中包含了一些适合并发计算的数据结构。

1. ConcurrentQueue，这个集合使用了原子的比较和交换（CAS）操作，使用SpinWait来保证线程安全。它实现了一个先进先出（FIFO）的集合，就是说元素出队列的顺序与加入队列的顺序是一样的。可以调用enqueue文献向队列中加入元素，使用TryDequeue方法试图取出队列中的第一个元素，使用TryPeek方法则试图得到第一个元素但并不从队列中删除此元素。
2. ConCurrentStack的实现也没有使用任何锁，只采用了CAS操作。它是一个后进先出（LIFO）的集合，这意味着最近添加的元素会先返回。可以使用Push和PushRange方法添加元素，使用TryPop和TryPopRange方法获取元素，以及使用TryPeek方法检查元素。
3. ConcurrentBag是一个支持重复元素的无序集合。它针对这样以下情况 进行了优化，即多个线程以这样的方式工作：每个线程产生和消费自己的任务，极少与其他线程的任务交互（如果要交互则使用锁）。添加元素使用add方法，检查元素使用TryPeek方法，获取元素使用TryTake方法。
4. ConcurrentDictionary是一个线程安全的字典集合的实现。对于读操作无需使用锁。但是对于写操作则需要锁。这个并发字典使用多个锁，在字典桶之上实现了一个细粒度的锁模型。使用参数 concurrencyLevel可以在构造函数 中定义锁的数量，这意味着预估的线程数量将并发地更新这个字典。

         注：由于并发字典使用锁，所以没有必要请避免使用以下操作：Count、IsEmpty、Keys、Values、CopyTo及ToArray。

       5. BlockingCollection是对IProducerConsumerCollection泛型接口的实现 的一个高级封装。它有很多先进的功能来实现管道场景，即当你有一些步骤需要使用之前步骤运行的结果时。BlockingCollectione类支持如下功能：分场 、调整内部集合容量、取消集合操作、从多个块集合中获取元素。

          并行算法有可能非常复杂，并且或多或少涵盖了这些并行集合。线程安全并不是没有代价的。比起System.Collections和System.Collections.Generic命名空间中的经典列表 、集合和数组来说，并发集合会有更大的开销，因此，应该只在需要从多个任务中并发访问集合的时候才使用并发集合。在中等代码中使用并发集合没有意义，因为它们会增加无谓的开销。下面我们使用最简单的例子来学习这些并行集合。

 

一、   使用ConcurrentDictionary

     本示例展示了一个非常简单的场景，比较在单线程环境中使用通常的字典集合与使用并发字典的性能。

 1.程序示例代码，如下。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Collections.Concurrent;
using System.Diagnostics; 

namespace ThreadCollectionDemo
{
    class Program
    {

        const string item = "Dict Name";
        public static string CurrentItem;
        static double time1;
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine(string.Format("-----  ConcurrentDictionary 操作----"));
            var concurrentDict = new ConcurrentDictionary<int, string>();
            var dict = new Dictionary<int, string>();
            var sw = new Stopwatch();
            sw.Start();

            //普通字典,100万次循环
            for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            {
                lock (dict)
                {
                    dict[i] = string.Format("{0} {1}", item, i);
                }
            }

            sw.Stop();
            Console.WriteLine(string.Format("对普通字典集合(Dictionary) 进行100万次写操作共用时间：{0}----",sw.Elapsed));
            time1 = sw.Elapsed.TotalMilliseconds;
            sw.Restart();
            for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            {
                concurrentDict[i] = string.Format("{0} {1}", item, i);          

            }

            sw.Stop();
            Console.WriteLine(string.Format("对并行字典集合(ConcurrentDictionary) 进行100万次写操作共用时间：{0}", sw.Elapsed));

            Console.WriteLine(string.Format("写操作  普通字典/并行字典 = {0}", time1/1.0/sw.Elapsed.TotalMilliseconds)); 

            Console.WriteLine();
           sw.Restart();

            for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            {
                lock (dict)

                {
                    CurrentItem = dict[i];

                }

            }

            sw.Stop();
            Console.WriteLine(string.Format("对普通字典集合(Dictionary) 进行100万次读操作共用时间：{0}----", sw.Elapsed));
            time1 = sw.Elapsed.TotalMilliseconds;
            sw.Restart();
 

            for (int i = 0; i < 1000000; i++)

            {           
    CurrentItem= concurrentDict[i];
            }

            sw.Stop();
            Console.WriteLine(string.Format("对并行字典集合(ConcurrentDictionary) 进行100万次读操作共用时间：{0}----", sw.Elapsed));

            Console.WriteLine(string.Format("读操作  普通字典/并行字典 = {0}", time1 / 1.0 / sw.Elapsed.TotalMilliseconds));
            //多线程并行读取数据   

            sw.Restart();
            Task[] process = new Task[4];
            for (int i = 0; i < 4; i++)
            {               
                process[i ] = Task.Run(() => Get(concurrentDict, i));

            }

            Task.WhenAll(process);
            sw.Stop();
            Console.WriteLine(string.Format("多线程对并行字典集合(ConcurrentDictionary) 进行100万次读操作共用时间：{0}", sw.Elapsed));

            Console.WriteLine(string.Format("读操作  普通字典/多线程读并行字典 = {0}", time1 / 1.0 / sw.Elapsed.TotalMilliseconds));
            Console.Read();

        }

        private static void Get(ConcurrentDictionary<int,string> dict,int index)
        {
            for (int i = 0; i < 1000000; i += 4)
            {
                if (i%4==index)
                {
                    string s = dict[i];
                }             

            }   

        }
    }

}

2.单线程情况下，程序运行结果，如下图。

 

       当程序启动时我们创建了两个集合，其中一个是标准的字典集合，另一个是新的并发字典集合。然后采用锁的机制向标准的字典中添加元素，并测量完成100万次的时间。同时采用同样的场景来测量ConcurrentDictionary的性能 ，最后 比较从两个集合中获取值 的性能。

      通过上面的比较，我们发现ConcurrentDictionary写操作比使用锁的通常字典要慢的多，而读操作则要快些。因此对字典需要大量的线程安全的读操作，ConcurrentDictionary是最好的选择。

      最后，我们使用4个线程同时读ConcurrentDictionary，则会发现这个字典的性能更好。

     在main方法中添加一个四线程的读字典的代码。如下。

 //多线程并行读取数据        

            sw.Restart();
            Task[] process = new Task[4];
            for (int i = 0; i < 4; i++)
            {             

                process[i ] = Task.Run(() => Get(concurrentDict, i));
            }
            Task.WhenAll(process); 
            sw.Stop();
            Console.WriteLine(string.Format("多线程对并行字典集合(ConcurrentDictionary) 进行100万次读操作共用时间：{0}", sw.Elapsed));
            Console.WriteLine(string.Format("读操作  普通字典/多线程读并行字典 = {0}", time1 / 1.0 / sw.Elapsed.TotalMilliseconds));



  

        private static void Get(ConcurrentDictionary<int,string> dict,int index)
        {

            for (int i = 0; i < 1000000; i += 4)
            {
                if (i%4==index)
                {
                    string s = dict[i];

                }             

            }  

        }

3.多线程情况下，程序运行结果，如下图。从图中可以看出，普通字典的操作是多线程读并行字典的30多倍。这是我机器上的情况。各人的机器配置不一，请自行测试。