C#并行编程-并发集合

基于任务的程序设计、命令式数据并行和任务并行都要求能够支持并发更新的数组、列表和集合。

在.NET Framework 4 以前，为了让共享的数组、列表和集合能够被多个线程更新，需要添加复杂的代码来同步这些更新操作。

如您需要编写一个并行循环，这个循环以无序的方式向一个共享集合中添加元素，那么必须加入一个同步机制来保证这是一个线程安全的集合。

System.Collenctions和System.Collenctions.Generic 名称空间中所提供的经典列表、集合和数组的线程都不是安全的，不能接受并发请求，因此需要对相应的操作方法执行串行化。

下面看代码，代码中并没有实现线程安全和串行化：

 
    class Program
    {
        private static object o = new object();
        private static List<Product> _Products { get; set; }
        /*  coder:释迦苦僧  
         *  代码中 创建三个并发线程 来操作_Products 集合
         *  System.Collections.Generic.List 这个列表在多个线程访问下，不能保证是安全的线程，所以不能接受并发的请求，我们必须对ADD方法的执行进行串行化
         */
        static void Main(string[] args)
        {
            _Products = new List<Product>();
            /*创建任务 t1  t1 执行 数据集合添加操作*/
            Task t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddProducts();
            });
            /*创建任务 t2  t2 执行 数据集合添加操作*/
            Task t2 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddProducts();
            });
            /*创建任务 t3  t3 执行 数据集合添加操作*/
            Task t3 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddProducts();
            });
            Task.WaitAll(t1, t2, t3);
            Console.WriteLine(_Products.Count);
            Console.ReadLine();
        }

        /*执行集合数据添加操作*/
        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; }
    }
View Code代码中开启了三个并发操作，每个操作都向集合中添加1000条数据，在没有保障线程安全和串行化的运行下，实际得到的数据并没有3000条，结果如下：
 

为此我们需要采用Lock关键字，来确保每次只有一个线程来访问  _Products.Add(product); 这个方法，代码如下：

 
    class Program
    {
        private static object o = new object();
        private static List<Product> _Products { get; set; }
        /*  coder:释迦苦僧  
         *  代码中 创建三个并发线程 来操作_Products 集合
         *  System.Collections.Generic.List 这个列表在多个线程访问下，不能保证是安全的线程，所以不能接受并发的请求，我们必须对ADD方法的执行进行串行化
         */
        static void Main(string[] args)
        {
            _Products = new List<Product>();
            /*创建任务 t1  t1 执行 数据集合添加操作*/
            Task t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddProducts();
            });
            /*创建任务 t2  t2 执行 数据集合添加操作*/
            Task t2 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddProducts();
            });
            /*创建任务 t3  t3 执行 数据集合添加操作*/
            Task t3 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddProducts();
            });
            Task.WaitAll(t1, t2, t3);
            Console.WriteLine("当前数据量为：" + _Products.Count);
            Console.ReadLine();
        }

        /*执行集合数据添加操作*/
        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; }
    }
View Code

但是锁的引入，带来了一定的开销和性能的损耗，并降低了程序的扩展性，在并发编程中显然不适用。

 

System.Collections.Concurrent

.NET Framework 4提供了新的线程安全和扩展的并发集合，它们能够解决潜在的死锁问题和竞争条件问题，因此在很多复杂的情形下它们能够使得并行代码更容易编写，这些集合尽可能减少需要使用锁的次数，从而使得在大部分情形下能够优化为最佳性能，不会产生不必要的同步开销。

需要注意的是：

线程安全并不是没有代价的，比起System.Collenctions和System.Collenctions.Generic命名空间中的列表、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几个，在串行代码中使用并发集合是没有意义的，因为它们会增加无谓的开销。

 

为此，在.NET Framework中提供了System.Collections.Concurrent新的命名空间可以访问用于解决线程安全问题，通过这个命名空间能访问以下为并发做好了准备的集合。

1.BlockingCollection 与经典的阻塞队列数据结构类似，能够适用于多个任务添加和删除数据，提供阻塞和限界能力。

2.ConcurrentBag 提供对象的线程安全的无序集合

3.ConcurrentDictionary  提供可有多个线程同时访问的键值对的线程安全集合

4.ConcurrentQueue   提供线程安全的先进先出集合

5.ConcurrentStack   提供线程安全的后进先出集合

这些集合通过使用比较并交换和内存屏障等技术，避免使用典型的互斥重量级的锁，从而保证线程安全和性能。

 

ConcurrentQueue  

ConcurrentQueue 是完全无锁的，能够支持并发的添加元素，先进先出。下面贴代码，详解见注释：

 
    class Program
    {
        private static object o = new object();
        /*定义 Queue*/
        private static Queue<Product> _Products { get; set; }
        private static ConcurrentQueue<Product> _ConcurrenProducts { get; set; }
        /*  coder:释迦苦僧  
         *  代码中 创建三个并发线程 来操作_Products 和 _ConcurrenProducts 集合，每次添加 10000 条数据 查看 一般队列Queue 和 多线程安全下的队列ConcurrentQueue 执行情况
         */
        static void Main(string[] args)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            _Products = new Queue<Product>();
            Stopwatch swTask = new Stopwatch();
            swTask.Start();

            /*创建任务 t1  t1 执行 数据集合添加操作*/
            Task t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddProducts();
            });
            /*创建任务 t2  t2 执行 数据集合添加操作*/
            Task t2 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddProducts();
            });
            /*创建任务 t3  t3 执行 数据集合添加操作*/
            Task t3 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddProducts();
            });

            Task.WaitAll(t1, t2, t3);
            swTask.Stop();
            Console.WriteLine("List<Product> 当前数据量为：" + _Products.Count);
            Console.WriteLine("List<Product> 执行时间为：" + swTask.ElapsedMilliseconds);

            Thread.Sleep(1000);
            _ConcurrenProducts = new ConcurrentQueue<Product>();
            Stopwatch swTask1 = new Stopwatch();
            swTask1.Start();

            /*创建任务 tk1  tk1 执行 数据集合添加操作*/
            Task tk1 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddConcurrenProducts();
            });
            /*创建任务 tk2  tk2 执行 数据集合添加操作*/
            Task tk2 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddConcurrenProducts();
            });
            /*创建任务 tk3  tk3 执行 数据集合添加操作*/
            Task tk3 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddConcurrenProducts();
            });

            Task.WaitAll(tk1, tk2, tk3);
            swTask1.Stop();
            Console.WriteLine("ConcurrentQueue<Product> 当前数据量为：" + _ConcurrenProducts.Count);
            Console.WriteLine("ConcurrentQueue<Product> 执行时间为：" + swTask1.ElapsedMilliseconds);
            Console.ReadLine();
        }

        /*执行集合数据添加操作*/
        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);
                }
            });

        }
        /*执行集合数据添加操作*/
        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; }
    }
View Code需要注意的是，代码中的输出时间并不能够完全正确的展示出并发代码下的ConcurrentQueue性能，采用ConcurrentQueue在一定程度上也带来了损耗，如下图所示：







ConcurrentQueue 还有另外两种方法：TryDequeue  尝试移除并返回 和 TryPeek 尝试返回但不移除，下面贴代码：

 
    class Program
    {
        private static object o = new object();
        private static ConcurrentQueue<Product> _ConcurrenProducts { get; set; }
        /*  coder:释迦苦僧  
         *  ConcurrentQueue  下的 TryPeek 和 TryDequeue
         */
        static void Main(string[] args)
        {
            _ConcurrenProducts = new ConcurrentQueue<Product>();
            /*执行添加操作*/
            Console.WriteLine("执行添加操作");
            Parallel.Invoke(AddConcurrenProducts, AddConcurrenProducts);
            Console.WriteLine("ConcurrentQueue<Product> 当前数据量为：" + _ConcurrenProducts.Count);
            /*执行TryPeek操作   尝试返回不移除*/
            Console.WriteLine("执行TryPeek操作   尝试返回不移除");
            Parallel.Invoke(PeekConcurrenProducts, PeekConcurrenProducts);
            Console.WriteLine("ConcurrentQueue<Product> 当前数据量为：" + _ConcurrenProducts.Count);

            /*执行TryDequeue操作  尝试返回并移除*/
            Console.WriteLine("执行TryDequeue操作  尝试返回并移除");
            Parallel.Invoke(DequeueConcurrenProducts, DequeueConcurrenProducts);
            Console.WriteLine("ConcurrentQueue<Product> 当前数据量为：" + _ConcurrenProducts.Count);

            Console.ReadLine();
        }

        /*执行集合数据添加操作*/
        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);
            });
        }
        /*尝试返回 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);
            });
        }
        /*尝试返回 并 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; }
    }
View Code需要注意 TryDequeue  和  TryPeek 的无序性，在多线程下



ConcurrentStack  是完全无锁的，能够支持并发的添加元素，后进先出。下面贴代码，详解见注释：

 
        private static object o = new object();
        /*定义 Stack*/
        private static Stack<Product> _Products { get; set; }
        private static ConcurrentStack<Product> _ConcurrenProducts { get; set; }
        /*  coder:释迦苦僧  
         *  代码中 创建三个并发线程 来操作_Products 和 _ConcurrenProducts 集合，每次添加 30000 条数据 查看 一般Stack 和 多线程安全下的 ConcurrentStack 执行情况
         */
        static void Main(string[] args)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            _Products = new Stack<Product>();
            Stopwatch swTask = new Stopwatch();
            swTask.Start();

            /*创建任务 t1  t1 执行 数据集合添加操作*/
            Task t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddProducts();
            });
            /*创建任务 t2  t2 执行 数据集合添加操作*/
            Task t2 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddProducts();
            });
            /*创建任务 t3  t3 执行 数据集合添加操作*/
            Task t3 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddProducts();
            });

            Task.WaitAll(t1, t2, t3);
            swTask.Stop();
            Console.WriteLine("List<Product> 当前数据量为：" + _Products.Count);
            Console.WriteLine("List<Product> 执行时间为：" + swTask.ElapsedMilliseconds);

            Thread.Sleep(1000);
            _ConcurrenProducts = new ConcurrentStack<Product>();
            Stopwatch swTask1 = new Stopwatch();
            swTask1.Start();

            /*创建任务 tk1  tk1 执行 数据集合添加操作*/
            Task tk1 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddConcurrenProducts();
            });
            /*创建任务 tk2  tk2 执行 数据集合添加操作*/
            Task tk2 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddConcurrenProducts();
            });
            /*创建任务 tk3  tk3 执行 数据集合添加操作*/
            Task tk3 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                AddConcurrenProducts();
            });

            Task.WaitAll(tk1, tk2, tk3);
            swTask1.Stop();
            Console.WriteLine("ConcurrentStack<Product> 当前数据量为：" + _ConcurrenProducts.Count);
            Console.WriteLine("ConcurrentStack<Product> 执行时间为：" + swTask1.ElapsedMilliseconds);
            Console.ReadLine();
        }

        /*执行集合数据添加操作*/
        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);
                }
            });

        }
        /*执行集合数据添加操作*/
        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; }
    }
View Code



ConcurrentStack 还有另外两种方法：TryPop 尝试移除并返回 和 TryPeek 尝试返回但不移除，下面贴代码：

 
    class Program
    {
        private static object o = new object();
        private static ConcurrentStack<Product> _ConcurrenProducts { get; set; }
        /*  coder:释迦苦僧  
         *  ConcurrentQueue  下的 TryPeek 和 TryPop
         */
        static void Main(string[] args)
        {
            _ConcurrenProducts = new ConcurrentStack<Product>();
            /*执行添加操作*/
            Console.WriteLine("执行添加操作");
            Parallel.Invoke(AddConcurrenProducts, AddConcurrenProducts);
            Console.WriteLine("ConcurrentStack<Product> 当前数据量为：" + _ConcurrenProducts.Count);
            /*执行TryPeek操作   尝试返回不移除*/
            Console.WriteLine("执行TryPeek操作   尝试返回不移除");
            Parallel.Invoke(PeekConcurrenProducts, PeekConcurrenProducts);
            Console.WriteLine("ConcurrentStack<Product> 当前数据量为：" + _ConcurrenProducts.Count);

            /*执行TryDequeue操作  尝试返回并移除*/
            Console.WriteLine("执行TryPop操作  尝试返回并移除");
            Parallel.Invoke(PopConcurrenProducts, PopConcurrenProducts);
            Console.WriteLine("ConcurrentStack<Product> 当前数据量为：" + _ConcurrenProducts.Count);

            Console.ReadLine();
        }

        /*执行集合数据添加操作*/
        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);
            });
        }
        /*尝试返回 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);
            });
        }
        /*尝试返回 并 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; }
    }
View Code