.NET中的泛型集合总结

Posted 2020-10-10

最近对集合相关的命名空间比较感兴趣，以前也就用下List<T>, Dictionary<Tkey, TValue>之类，总之，比较小白。点开N多博客，MSDN，StackOverflow，没找到令我完全满意的答案，本打算自己总结下写出来，工作量好大的感觉……直到昨晚随意翻到看了一些又放下的《深入理解C#》-附录B部分，高兴地简直要叫出来——“这总结真是太绝了，好书不愧是好书”。真是“踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫”，最好的资源就在眼下，而自己居然浑然不知。或许只有深入技术细节的时候，才能认识到经典为什么是经典的原因吧！言归正传，本博客主要是对《深入理解C#》-附录B的摘录，并加了些标注。

 

附录B　.NET中的泛型集合

.NET中包含很多泛型集合，并且随着时间的推移列表还在增长。本附录涵盖了最重要的泛型集合接口和类，但不会涉及System.Collections、System.Collections.Specialized和System.ComponentModel中的非泛型集合。同样，也不会涉及ILookup<TKey,TValue>这样的LINQ接口。本附录是参考而非指南——在写代码时，可以用它来替代MSDN。在大多数情况下，MSDN显然会提供更详细的内容，但这里的目的是在选择代码中要用的特定集合时，可以快速浏览不同的接口和可用的实现。

我没有指出各集合是否为线程安全，MSDN中有更详细的信息。普通的集合都不支持多重并发写操作；有些支持单线程写和并发读操作。B.6节列出了.NET 4中添加的并发集合。此外，B.7节介绍了.NET4.5中引入的只读集合接口。

 

B.1　接口

几乎所有要学习的接口都位于System.Collections.Generic命名空间。图B-1展示了.NET4.5以前主要接口间的关系，此外还将非泛型的IEnumerable作为根接口包括了进来。为避免图表过于复杂，此处没有包含.NET 4.5的只读接口。

图B-1　System.Collections.Generic中的接口（不包括.NET 4.5）

正如我们已经多次看到的，最基础的泛型集合接口为IEnumerable<T>，表示可迭代的项的序列。IEnumerable<T>可以请求一个IEnumerator<T>类型的迭代器。由于分离了可迭代序列和迭代器，这样多个迭代器可以同时独立地操作同一个序列。如果从数据库角度来考虑，表就是IEnumerable<T>，而游标是IEnumerator<T>。本附录仅有的两个可变（variant）集合接口为.NET 4中的IEnumerable<out T>和IEnumerator<out T>；其他所有接口的元素类型值均可双向进出，因此必须保持不变。

接下来是ICollection<T>，它扩展了IEnumerable<T>，添加了两个属性（Count和IsReadOnly）、变动方法（Add、Remove和Clear）、CopyTo（将内容复制到数组中）和Contains（判断集合是否包含特殊的元素）。所有标准的泛型集合实现都实现了该接口。

IList<T>全都是关于定位的：它提供了一个索引器、InsertAt和RemoveAt（分别与Add和Remove相同，但可以指定位置），以及IndexOf（判断集合中某元素的位置）。对IList<T>进行迭代时，返回项的索引通常为0、1，以此类推。文档里没有完整的记录，但这是个合理的假设。同样，通常认为可以快速通过索引对IList<T>进行随机访问。

IDictionary<TKey, TValue>表示一个独一无二的键到它所对应的值的映射。值不必是唯一的，而且也可以为空；而键不能为空。可以将字典看成是键/值对的集合，因此IDictionary<TKey, TValue>扩展了ICollection<KeyValuePair<TKey, TValue>>。获取值可以通过索引器或TryGetValue方法；与非泛型IDictionary类型不同，如果试图用不存在的键获取值，IDictionary<TKey, TValue>的索引器将抛出一个KeyNotFoundException。TryGetValue的目的就是保证在用不存在的键进行探测时还能正常运行。

ISet<T>是.NET 4新引入的接口，表示唯一值集。它反过来应用到了.NET 3.5中的HashSet<T>上，以及.NET 4引入的一个新的实现——SortedSet<T>。

在实现功能时，使用哪个接口（甚至实现）是十分明显的。难的是如何将集合作为API的一部分公开；返回的类型越具体，调用者就越依赖于你指定类型的附加功能。这可以使调用者更轻松，但代价是降低了实现的灵活性。我通常倾向于将接口作为方法和属性的返回类型，而不是保证一个特定的实现类。在API中公开易变集合之前，你也应该深思熟虑，特别是当集合代表的是对象或类型的状态时。通常来说，返回集合的副本或只读的包装器是比较适宜的，除非方法的全部目的就是通过返回集合做出变动。

 

B.2　列表

从很多方面来说，列表是最简单也最自然的集合类型。框架中包含很多实现，具有各种功能和性能特征。一些常用的实现在哪里都可以使用，而一些较有难度的实现则有其专门的使用场景。

B.2.1　List<T>

在大多数情况下，List<T>都是列表的默认选择。它实现了IList<T>，因此也实现了ICollection<T>、IEnumerable<T>和IEnumerable。此外，它还实现了非泛型的ICollection和IList接口，并在必要时进行装箱和拆箱，以及进行执行时类型检查，以保证新元素始终与T兼容。

List<T>在内部保存了一个数组，它跟踪列表的逻辑大小和后台数组的大小。向列表中添加元素，在简单情况下是设置数组的下一个值，或（如果数组已经满了）将现有内容复制到新的更大的数组中，然后再设置值。这意味着该操作的复杂度为O(1)或O(n)，取决于是否需要复制值。扩展策略没有在文档中指出，因此也不能保证——但在实践中，该方法通常可以扩充为所需大小的两倍。这使得向列表末尾附加项为O(1)平摊复杂度（amortized complexity）；有时耗时更多，但这种情况会随着列表的增加而越来越少。

你可以通过获取和设置Capacity属性来显式管理后台数组的大小。TrimExcess方法可以使容量等于当前的大小。实战中很少有必要这么做，但如果在创建时已经知道列表的实际大小，则可将初始的容量传递给构造函数，从而避免不必要的复制。

从List<T>中移除元素需要复制所有的后续元素，因此其复杂度为O(n – k)，其中k为移除元素的索引。从列表尾部移除要比从头部移除廉价得多。另一方面，如果要通过值移除元素而不是索引（通过Remove而不是RemoveAt），那么不管元素位置如何复杂度都为O(n)：每个元素都将得到平等的检查或打乱。

List<T>中的各种方法在一定程度上扮演着LINQ前身的角色。ConvertAll可进行列表投影；FindAll对原始列表进行过滤，生成只包含匹配指定谓词的值的新列表。Sort使用类型默认的或作为参数指定的相等比较器进行排序。但Sort与LINQ中的OrderBy有个显著的不同：Sort修改原始列表的内容，而不是生成一个排好序的副本。并且，Sort是不稳定的，而OrderBy是稳定的；使用Sort时，原始列表中相等元素的顺序可能会不同。LINQ不支持对List<T>进行二进制搜索：如果列表已经按值正确排序了，BinarySearch方法将比线性的IndexOf搜索效率更高( 二进制搜索的复杂度为O(log n)，线性搜索为O(n))。

List<T>中略有争议的部分是ForEach方法。顾名思义，它遍历一个列表，并对每个值都执行某个委托（指定为方法的参数）。很多开发者要求将其作为IEnumerable<T>的扩展方法，但却一直没能如愿；Eric Lippert在其博客中讲述了这样做会导致哲学麻烦的原因（参见http://mng.bz/Rur2）。在我看来使用Lambda表达式调用ForEach有些矫枉过正。另一方面，如果你已经拥有一个要为列表中每个元素都执行一遍的委托，那还不如使用ForEach，因为它已经存在了。

B.2.2　数组

在某种程度上，数组是.NET中最低级的集合。所有数组都直接派生自System.Array，也是唯一的CLR直接支持的集合。一维数组实现了IList<T>（及其扩展的接口）和非泛型的IList、ICollection接口；矩形数组只支持非泛型接口。数组从元素角度来说是易变的，从大小角度来说是固定的。它们显示实现了集合接口中所有的可变方法（如Add和Remove），并抛出NotSupportedException。

引用类型的数组通常是协变的；如Stream[]引用可以隐式转换为Object[]，并且存在显式的反向转换(容易混淆的是，也可以将Stream[]隐式转换为IList<Object>，尽管IList<T>本身是不变的)。这意味着将在执行时验证数组的改变——数组本身知道是什么类型，因此如果先将Stream[]数组转换为Object[]，然后再试图向其存储一个非Stream的引用，则将抛出ArrayTypeMismatchException。

CLR包含两种不同风格的数组。向量是下限为0的一维数组，其余的统称为数组（array）。向量的性能更佳，是C#中最常用的。T[][]形式的数组仍然为向量，只不过元素类型为T[]；只有C#中的矩形数组，如string[10, 20]，属于CLR术语中的数组。在C#中，你不能直接创建非零下限的数组——需要使用Array.CreateInstance来创建，它可以分别指定下限、长度和元素类型。如果创建了非零下限的一维数组，就无法将其成功转换为T[]——这种强制转换可以通过编译，但会在执行时失败。

C#编译器在很多方面都内嵌了对数组的支持。它不仅知道如何创建数组及其索引，还可以在foreach循环中直接支持它们；在使用表达式对编译时已知为数组的类型进行迭代时，将使用Length属性和数组索引器，而不会创建迭代器对象。这更高效，但性能上的区别通常忽略不计。

与List<T>相同，数组支持ConvertAll、FindAll和BinarySearch方法，不过对数组来说，这些都是Array类的以数组为第一个参数的静态方法。

回到本节最开始所说的，数组是相当低级的数据结构。它们是其他集合的重要根基，在适当的情况下有效，但在大量使用之前还是应该三思。Eric同样为该话题撰写了博客，指出它们有“些许害处”（参见http://mng.bz/3jd5）。我不想夸大这一点，但在选择数组作为集合类型时，这是一个值得注意的缺点。

B.2.3　LinkedList<T>

什么时候列表不是list呢？答案是当它为链表的时候。LinkedList<T>在很多方面都是一个列表，特别的，它是一个保持项添加顺序的集合——但它却没有实现IList<T>。因为它无法遵从通过索引进行访问的隐式契约。它是经典的计算机科学中的双向链表：包含头节点和尾节点，每个节点都包含对链表中前一个节点和后一个节点的引用。每个节点都公开为一个LinkedListNode<T>，这样就可以很方便地在链表的中部插入或移除节点。链表显式地维护其大小，因此可以访问Count属性。

在空间方面，链表比维护后台数组的列表效率要低，同时它还不支持索引操作，但在链表中的任意位置插入或移除元素则非常快，前提是只要在相关位置存在对该节点的引用。这些操作的复杂度为O(1)，因为所需要的只是对周围的节点修改前/后的引用。插入或移除头尾节点属于特殊情况，通常可以快速访问需要修改的节点。迭代（向前或向后）也是有效的，只需要按引用链的顺序即可。

尽管LinkedList<T>实现了Add等标准方法（向链表末尾添加节点），我还是建议使用显式的AddFirst和AddLast方法，这样可以使意图更清晰。它还包含匹配的RemoveFirst和RemoveLast方法，以及First和Last属性。所有这些操作返回的都是链表中的节点而不是节点的值；如果链表是空（empty）的，这些属性将返回空（null）。

B.2.4　Collection<T>、BindingList<T>、ObservableCollection<T>和 KeyedCollection<TKey, TItem>

Collection<T>与我们将要介绍的剩余列表一样，位于System.Collections.ObjectModel命名空间。与List<T>类似，它也实现了泛型和非泛型的集合接口。

尽管你可以对其自身使用Collection<T>，但它更常见的用法是作为基类使用。它常扮演其他列表的包装器的角色：要么在构造函数中指定一个列表，要么在后台新建一个List<T>。所有对于集合的变动行为，都通过受保护的虚方法（InsertItem、SetItem、RemoveItem和ClearItems）实现。派生类可以拦截这些方法，引发事件或提供其他自定义行为。派生类可通过Items属性访问被包装的列表。如果该列表为只读，公共的变动方法将抛出异常，而不再调用虚方法，你不必在覆盖的时候再次检查。

BindingList<T>和ObservableCollection<T>派生自Collection<T>，可以提供绑定功能。BindingList<T>在.NET 2.0中就存在了，而ObservableCollection<T>是WPF（Windows Presentation Foundation）引入的。当然，在用户界面绑定数据时没有必要一定使用它们——你也许有自己的理由，对列表的变化更有兴趣。这时，你应该观察哪个集合以更有用的方式提供了通知，然后再选择使用哪个。注意，只会通知你通过包装器所发生的变化；如果基础列表被其他可能会修改它的代码共享，包装器将不会引发任何事件。

KeyedCollection<TKey, TItem>是列表和字典的混合产物，可以通过键或索引来获取项。与普通字典不同的是，键不能独立存在，应该有效地内嵌在项中。在许多情况下，这很自然，例如一个拥有CustomerID属性的Customer类型。KeyedCollection<,>为抽象类；派生类将实现GetKeyForItem方法，可以从列表中的任意项中提取键。在我们这个客户的示例中，GetKeyForItem方法返回给定客户的ID。与字典类似，键在集合中必须是唯一的——试图添加具有相同键的另一个项将失败并抛出异常。尽管不允许空键，但GetKeyForItem可以返回空（如果键类型为引用类型），这时将忽略键（并且无法通过键获取项）。

B.2.5　ReadOnlyCollection<T>和ReadOnlyObservableCollection<T>

最后两个列表更像是包装器，即使基础列表为易变的也只提供只读访问。它们仍然实现了泛型和非泛型的集合接口。并且混合使用了显式和隐式的接口实现，这样使用具体类型的编译时表达式的调用者将无法使用变动操作。

ReadOnlyObservableCollection<T>派生自ReadOnlyCollection<T>，并和ObserverbleCollection<T>一样实现了相同的INotifyCollectionChanged和INotifyPropertyChanged接口。ReadOnlyObservableCollection<T>的实例只能通过一个ObservableCollection<T>后台列表进行构建。尽管集合对调用者来说依然是只读的，但它们可以观察对后台列表其他地方的改变。

尽管通常情况下我建议使用接口作为API中方法的返回值，但特意公开ReadOnlyCollection<T>也是很有用的，它可以为调用者清楚地指明不能修改返回的集合。但仍需写明基础集合是否可以在其他地方修改，或是否为有效的常量。

 

B.3　字典

在框架中，字典的选择要比列表少得多。只有三个主流的非并发IDictionary<TKey, TValue>实现，此外还有ExpandoObject（第14章已介绍过）、ConcurrentDictionary（将在介绍其他并发集合时介绍）和RouteValueDictionary（用于路由Web请求，特别是在ASP.NET MVC中）也实现了该接口。

注意，字典的主要目的在于为值提供有效的键查找。

B.3.1　Dictionary<TKey, TValue>

如果没有特殊需求，Dictionary<TKey, TValue>将是字典的默认选择，就像List<T>是列表的默认实现一样。它使用了散列表，可以实现有效的查找（参见http://mng.bz/qTdH），虽然这意味着字典的效率取决于散列函数的优劣。可使用默认的散列和相等函数（调用键对象本身的Equals和GetHashCode），也可以在构造函数中指定IEqualityComparer<TKey>作为参数。

最简单的示例是用不区分大小写的字符串键实现字典，如代码清单B-1所示。

代码清单B-1　在字典中使用自定义键比较器

var comparer = StringComparer.OrdinalIgnoreCase;
var dict = new Dictionary<String, int>(comparer);
dict["TEST"] = 10;
Console.WriteLine(dict["test"]);  //输出10

尽管字典中的键必须唯一，但散列码并不需要如此。两个不等的键完全有可能拥有相同的散列码；这就是散列冲突（hash collision）(http://en.wikipedia.org/wiki/Collision_(computer_science)——译者注)，尽管这多少会降低字典的效率，但却可以正常工作。如果键是易变的，并且散列码在插入后发生了改变，字典将会失败。易变的字典键总是一个坏主意，但如果确实不得不使用，则应确保在插入后不会改变。

散列表的实现细节是没有规定的，可能会随时改变，但一个重要的方面可能会引起混淆：尽管Dictionary<TKey, TValue>有时可能会按顺序排列，但无法保证总是这样。如果向字典添加了若干项然后迭代，你会发现项的顺序与插入时相同，但请不要信以为真。有点不幸的是，刻意添加条目以维持排序的实现可能会很怪异，而碰巧自然扰乱了排序的实现则可能带来更少的混淆。

与List<T>一样，Dictionary<TKey, TValue>将条目保存在数组中，并在必要的时候进行扩充，且扩充的平摊复杂度为O(1)。如果散列合理，通过键访问的复杂度也为O(1)；而如果所有键的散列码都相等，由于要依次检查各个键是否相等，因此最终的复杂度为O(n)。在大多数实际场合中，这都不是问题。

B.3.2　SortedList<TKey, TValue>和SortedDictionary<TKey, TValue>

乍一看可能会以为名为SortedList<,>的类为列表，但实则不然。这两个类型都是字典，并且谁也没有实现IList<T>。如果取名为ListBackedSortedDictionary和TreeBackedSortedDictionary可能更加贴切，但现在改已经来不及了。

这两个类有很多共同点：比较键时都使用IComparer<TKey>而不是IEqualityComparer<TKey>，并且键是根据比较器排好序的。在查找值时，它们的性能均为O(log n)，并且都能执行二进制搜索。但它们的内部数据结构却迥然不同：SortedList<,>维护一个排序的条目数组，而SortedDictionary<,>则使用的是红黑树结构（参见维基百科条目http://mng.bz/K1S4）。这导致了插入和移除时间以及内存效率上的显著差异。如果要创建一个排序的字典，SortedList<,>将被有效地填充，想象一下保持List<T>排序的步骤，你会发现向列表末尾添加单项是廉价的（若忽略数组扩充的话将为O(1)），而随机添加项则是昂贵的，因为涉及复制已有项（最糟糕的情况是O(n)）。向SortedDictionary<,>中的平衡树添加项总是相当廉价（复杂度为O(log n)），但在堆上会为每个条目分配一个树节点，这将使开销和内存碎片比使用SortedList<,>键值条目的数组要更多。

这两种集合都使用单独的集合公开键和值，并且这两种情况下返回的集合都是活动的，因为它们将随着基础字典的改变而改变。但SortedList<,>公开的集合实现了IList<T>，因此可以使用排序的键索引有效地访问条目。

我不想因为谈论了这么多关于复杂度的内容而给你造成太大困扰。如果不是海量数据，则可不必担心所使用的实现。如果字典的条目数可能会很大，你应该仔细分析这两种集合的性能特点，然后决定使用哪一个。

B.3.3　ReadOnlyDictionary<TKey, TValue>

熟悉了B.2.5节中介绍的ReadOnlyCollection<T>后，ReadOnlyDictionary<TKey, TValue>应该也不会让你感到特别意外。ReadOnlyDictionary<TKey, TValue>也只是一个围绕已有集合（本例中指IDictionary<TKey, TValue>）的包装器而已，可隐藏显式接口实现后所有发生变化的操作，并且在调用时抛出NotSupportedException。

与只读列表相同，ReadOnlyDictionary<TKey, TValue>的确只是一个包装器；如果基础集合（传入构造函数的集合）发生变化，则这些修改内容可通过包装器显现出来。

 

B.4　集

在.NET 3.5之前，框架中根本没有公开集（set）集合。如果要在.NET 2.0中表示集，通常会使用Dictionary<,>，用集的项作为键，用假数据作为值。.NET3.5的HashSet<T>在一定程度上改变了这一局面，现在.NET 4还添加了SortedSet<T>和通用的ISet<T>接口。尽管在逻辑上，集接口应该只包含Add/Remove/Contains操作，但ISet<T>还指定了很多其他操作来控制集（ExceptWith、IntersectWith、SymmetricExceptWith和UnionWith）并在各种复杂条件下验证集（SetEquals、Overlaps、IsSubsetOf、IsSupersetOf、IsProperSubsetOf和IsProperSupersetOf）。所有这些方法的参数均为IEnumerable<T>而不是ISet<T>，这乍看上去会很奇怪，但却意味着集可以很自然地与LINQ进行交互。

B.4.1　HashSet<T>

HashSet<T>是不含值的Dictionary<,>。它们具有相同的性能特征，并且你也可以指定一个IEqualityComparer<T>来自定义项的比较。同样，HashSet<T>所维护的顺序也不一定就是值添加的顺序。

HashSet<T>添加了一个RemoveWhere方法，可以移除所有匹配给定谓词的条目。这可以在迭代时对集进行删减，而不必担心在迭代时不能修改集合的禁令。

B.4.2　SortedSet<T>（.NET 4）

就像HashSet<T>之于Dictionary<,>一样，SortedSet<T>是没有值的SortedDictionary<,>。它维护一个值的红黑树，添加、移除和包含检查（containment check）的复杂度为O(log n)。在对集进行迭代时，产生的是排序的值。

和HashSet<T>一样它也提供了RemoveWhere方法（尽管接口中没有），并且还提供了额外的属性（Min和Max）用来返回最小和最大值。一个比较有趣的方法是GetViewBetween，它返回介于原始集上下限之内（含上下限）的另一个SortedSet<T>。这是一个易变的活动视图——对于它的改变将反映到原始集上，反之亦然，如代码清单B-2所示。

代码清单B-2　通过视图观察排序集中的改变

var baseSet = new SortedSet<int> { 1, 5, 12, 20, 25 };
var view = baseSet.GetViewBetween(10, 20);
view.Add(14);
Console.WriteLine(baseSet.Count);   //输出6
foreach (int value in view)
{
    Console.WriteLine(value);     //输出12、14、20
}

尽管GetViewBetween很方便，却不是免费的午餐：为保持内部的一致性，对视图的操作可能比预期的更昂贵。尤其在访问视图的Count属性时，如果在上次遍历之后基础集发生了改变，操作的复杂度将为O(n)。所有强大的工具，都应该谨慎用之。

SortedSet<T>的最后一个特性是它公开了一个Reverse()方法，可以进行反序迭代。Enumerable.Reverse()没有使用该方法，而是缓冲了它调用的序列的内容。如果你知道要反序访问排序集，使用SortedSet<T>类型的表达式代替更通用的接口类型可能会更有用，因为可访问这个更高效的实现。

 

B.5　Queue<T>和Stack<T>

队列和栈是所有计算机科学课程的重要组成部分。它们有时分别指FIFO（先进先出）和LIFO（后进先出）结构。这两种数据结构的基本理念是相同的：向集合添加项，并在其他时候移除。所不同的是移除的顺序：队列就像排队进商店，排在第一位的将是第一个被接待的；栈就像一摞盘子，最后一个放在顶上的将是最先被取走的。队列和栈的一个常见用途是维护一个待处理的工作项清单。

正如LinkedList<T>一样，尽管可使用普通的集合接口方法来访问队列和栈，但我还是建议使用指定的类，这样代码会更加清晰。

B.5.1　Queue<T>

Queue<T>实现为一个环形缓冲区：本质上它维护一个数组，包含两个索引，分别用于记住下一个添加项和取出项的位置（slot）。如果添加索引追上了移除索引，所有内容将被复制到一个更大的数组中。

Queue<T>提供了Enqueue和Dequeue方法，用于添加和移除项。Peek方法用来查看下一个出队的项，而不会实际移除。Dequeue和Peek在操作空（empty）队列时都将抛出InvalidOperationException。对队列进行迭代时，产生的值的顺序与出队时一致。

B.5.2　Stack<T>

Stack<T>的实现比Queue<T>还简单——你可以把它想成是一个List<T>，只不过它还包含Push方法用于向列表末尾添加新项，Pop方法用于移除最后的项，以及Peek方法用于查看而不移除最后的项。同样，Pop和Peek在操作空（empty）栈时将抛出InvalidOperationException。对栈进行迭代时，产生的值的顺序与出栈时一致——即最近添加的值将率先返回。

 

B.6　并行集合（.NET 4）

作为.NET 4并行扩展的一部分，新的System.Collections.Concurrent命名空间中包含一些新的集合。它们被设计为在含有较少锁的多线程并发操作时是安全的。该命名空间下还包含三个用于对并发操作的集合进行分区的类，但在此我们不讨论它们。

B.6.1　IProducerConsumerCollection<T>和BlockingCollection<T>

IProducerConsumerCollection<T>被设计用于BlockingCollection<T>，有三个新的集合实现了该接口。在描述队列和栈时，我说过它们通常用于为稍后的处理存储工作项；生产者/消费者模式是一种并行执行这些工作项的方式。有时只有一个生产者线程创建工作，多个消费者线程执行工作项。在其他情况下，消费者也可以是生产者，例如，网络爬虫（crawler）处理一个Web页面时会发现更多的链接，供后续爬取。

IProducerConsumerCollection<T>是生产者/消费者模式中数据存储的抽象，BlockingCollection<T>以易用的方式包装该抽象，并提供了限制一次缓冲多少项的功能。BlockingCollection<T>假设没有东西会直接添加到包装的集合中，所有相关方都应该使用包装器来对工作项进行添加和移除。构造函数包含一个重载，不传入IProducerConsumerCollection<T>参数，而使用ConcurrentQueue<T>作为后台存储。

IProducerConsumerCollection<T>只提供了三个特别有趣的方法：ToArray、TryAdd和TryTake。ToArray将当前集合内容复制到新的数组中，这个数组是集合在调用该方法时的快照。TryAdd和TryTake都遵循了标准的TryXXX模式，试图向集合添加或移除项，返回指明成功或失败的布尔值。它允许有效的失败模式，降低了对锁的需求。例如在Queue<T>中，要把“验证队列中是否有项”和“如果有项就进行出队操作”这两个操作合并为一个，就需要一个锁——否则Dequeue就可能抛出异常(例如，当队列有且仅有一个项时，两个线程同时判断它是否有项，并且都返回true，这时其中一个线程先执行了出队操作，而另一个线程再执行出队操作时，由于队列已经空了，因此将抛出异常。——译者注)。

BlockingCollection<T>包含一系列重载，允许指定超时和取消标记，可以在这些非阻塞方法之上提供阻塞行为。通常不需要直接使用BlockingCollection<T>或IProducerConsumerCollection<T>，你可以调用并行扩展中使用了这两个类的其他部分。但了解它们还是很有必要的，特别是在需要自定义行为的时候。

B.6.2　ConcurrentBag<T>、ConcurrentQueue<T>和ConcurrentStack<T>

框架自带了三个IProducerConsumerCollection<T>的实现。本质上，它们在获取项的顺序上有所不同；队列和栈与它们非并发等价类的行为一致，而ConcurrentBag<T>没有顺序保证。

它们都以线程安全的方式实现了IEnumerable<T>。GetEnumerator()返回的迭代器将对集合的快照进行迭代；迭代时可以修改集合，并且改变不会出现在迭代器中。这三个类都提供了与TryTake类似的TryPeek方法，不过不会从集合中移除值。与TryTake不同的是，IProducerConsumerCollection<T>中没有指定TryPeek方法。

B.6.3　ConcurrentDictionary<TKey, TValue>

ConcurrentDictionary<TKey, TValue>实现了标准的IDictionary<TKey, TValue>接口（但是所有的并发集合没有一个实现了IList<T>），本质上是一个线程安全的基于散列的字典。它支持并发的多线程读写和线程安全的迭代，不过与上节的三个集合不同，在迭代时对字典的修改，可能会也可能不会反映到迭代器上。

它不仅仅意味着线程安全的访问。普通的字典实现基本上可以通过索引器提供添加或更新，通过Add方法添加或抛出异常，但ConcurrentDictionary<TKey, TValue>提供了名副其实的大杂烩。你可以根据前一个值来更新与键关联的值；通过键获取值，如果该键事先不存在就添加；只有在值是你所期望的时候才有条件地更新；以及许多其他的可能性，所有这些行为都是原子的。在开始时都显得很难，但并行团队的Stephen Toub撰写了一篇博客，详细介绍了什么时候应该使用哪一个方法（参见http://mng.bz/WMdW）。

 

B.7　只读接口（.NET 4.5）

NET 4.5引入了三个新的集合接口，即IReadOnlyCollection<T>、IReadOnlyList<T>和IReadOnlyDictionary<TKey, TValue>。截至本书撰写之时，这些接口还没有得到广泛应用。尽管如此，还是有必要了解一下的，以便知道它们不是什么。图B-2展示了三个接口间以及和IEnumerable接口的关系。

图B-2　.NET 4.5的只读接口

如果觉得ReadOnlyCollection<T>的名字有点言过其实，那么这些接口则更加诡异。它们不仅允许其他代码对其进行修改，而且如果集合是可变的，甚至可以通过结合对象本身进行修改。例如，List<T>实现了IReadOnlyList<T>，但显然它并不是一个只读集合。

当然这并不是说这些接口没有用处。IReadOnlyCollection<T>和IReadOnlyList<T>对于T都是协变的，这与IEnumerable<T>类似，但还暴露了更多的操作。可惜IReadOnlyDictionary<TKey, TValue>对于两个类型参数都是不变的，因为它实现了IEnumerable<KeyValuePair<TKey, TValue>>，而KeyValuePair<TKey, TValue>是一个结构，本身就是不变的。此外，IReadOnlyList<T>的协变性意味着它不能暴露任何以T为参数的方法，如Contains和IndexOf。其最大的好处在于它暴露了一个索引器，通过索引来获取项。

目前我并没怎么使用过这些接口，但我相信它们在未来肯定会发挥重要作用。2012年底，微软在NuGet上发布了不可变集合的预览版，即Microsoft.Bcl.Immutable。BCL团队的博客文章（http://mng.bz/Xlqd）道出了更多细节，不过它基本上无需解释：不可变的集合和可冻结的集合（可变集合，在冻结后变为不可变集合）。当然，如果元素类型是可变的（如StringBuilder），那它也只能帮你到这了。但我依然为此兴奋不已，因为不可变性实在是太有用了。

 

B.8　小结

.NET Framework包含一系列丰富的集合（尽管对于集来说没那么丰富）(作者前面使用了a rich set of collecions，后面用了a rich collection of sets，分别表示丰富的集合和集。此处的中文无法体现原文这种对仗。——译者注)。它们随着框架的其他部分一起逐渐成长起来，尽管接下来的一段时间内，最常用的集合还应该是List<T>和Dictionary<TKey, TValue>。

当然未来还会有其他数据结构添加进来，但要在其好处与添加到核心框架中的代价之间做出权衡。也许未来我们会看到明确的基于树的API，而不是像现在这样使用树作为已有集合的实现细节。也许可以看到斐波纳契堆（Fibonacci heaps）、弱引用缓存等——但正如我们所看到的那样，对于开发者来说已经够多了，并且有信息过载的风险。

如果你的项目需要特殊的数据结构，可以上网找找开源实现；Wintellect的Power Collections作为内置集合的替代品，已经有很长的历史了（参见http://powercollections.codeplex.com）。但在大多数情况下，框架完全可以满足你的需求，希望本附录可以在创造性使用泛型集合方面扩展你的视野。

 

下班回来之前对自己说：今天一定要把这篇博客写了！然而回来以后，看看这瞅瞅那，点开各种超链接，拖到很晚才开始，哎，这习惯真的不好。。。。