.NET Framework4 线程安全集合详解

.NET Framework 4 提供了一组线程安全的集合类，这些类位于 `System.Collections.Concurrent` 命名空间中，旨在提高多线程环境下的性能和安全性。这些集合类允许开发者在无需额外同步代码的情况下安全地进行并发读写操作，提高了程序的并发性和可扩展性。 1. **BlockingCollection<T>** - **概述**：BlockingCollection<T> 是一个高级的线程安全集合，实现了 `IProducerConsumerCollection<T>` 接口。它提供了线程间的生产者-消费者模式，支持添加和移除操作的阻塞，可以限制集合的大小，避免资源过度消耗。 - **使用场景**：适用于需要限制数据生产和消费速率，以及在生产者和消费者之间建立缓冲区的情况。 - **如何使用**：可以通过 `Add()` 方法添加项，`Take()` 方法取出项，`ForEach()` 方法遍历并移除项，还可以设置 `BoundedCapacity` 来限制集合大小。 2. **ConcurrentDictionary<TKey, TValue>** - **介绍**：ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 是线程安全的键值对字典，允许多个线程同时添加和删除项，而无需外部同步。 - **特性**：提供了 `TryAdd()`, `TryRemove()`, `TryUpdate()` 等方法，以原子方式执行操作，避免竞态条件。 - **使用**：适用于需要并发访问的键值存储，例如在并发任务间共享状态。 3. **ConcurrentQueue<T>** - **概念**：线程安全的先进先出（FIFO）队列，基于无锁算法实现，利用 `Interlocked` 操作确保线程安全。 - **操作**：提供 `Enqueue()` 添加元素到队尾，`Dequeue()` 移除并返回队首元素，还有 `TryDequeue()` 等方法。 4. **ConcurrentStack<T>** - **简介**：线程安全的后进先出（LIFO）堆栈，同样使用无锁算法，提供 `Push()` 添加元素到顶部，`Pop()` 移除并返回顶部元素，以及 `TryPop()` 方法。 5. **ConcurrentBag<T>** - **特性**：无序元素集合，支持并发添加和移除，适合用于临时存储无需特定顺序的对象，如对象池。 6. **线程同步与细粒度锁定** - **.NET Framework 1.0/2.0**：ArrayList 和 Hashtable 使用 `Synchronized()` 方法提供线程安全性，但性能较差，因为它们对整个集合进行锁定，导致线程竞争。 - **.NET Framework 2.0**：引入了 `System.Collections.Generic` 命名空间，但不提供线程同步，需要用户自定义同步代码。 - **.NET Framework 4 及以后**：引入了轻量级同步机制如 SpinLock、SpinWait、SemaphoreSlim 和 CountdownEvent，提高了性能，特别是对于短期等待的情况。 7. **线程安全与性能** - **无锁机制**：像 ConcurrentQueue<T> 和 ConcurrentStack<T> 使用 Interlocked 操作，避免了锁定，提高了性能。 - **忙旋转**：在等待时间非常短的情况下，使用忙旋转（SpinWait）比进入内核等待状态更高效。 .NET Framework 4 的线程安全集合提供了高效且安全的数据结构，适用于多线程编程。开发者应优先考虑使用这些类，而不是早期版本的集合，以优化并发应用程序的性能。同时，了解并适当地利用这些类的特性，可以帮助编写出更加健壮和高效的多线程代码。