C#并行编程-并发集合

Posted 2020-07-30 lidj

菜鸟学习并行编程，参考《C#并行编程高级教程.PDF》，如有错误，欢迎指正。

背景

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

对于并发下的其他集合，我这边就不做代码案列了，大家可以通过下面的链接查看,如有问题，欢迎指正

 

来源：http://www.tuicool.com/articles/B7BjM3B

以上是关于C#并行编程-并发集合的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

C#并发编程之初识并行编程

Go并发编程-并发与并行

5天玩转C#并行和多线程编程

我是如何一步步的在并行编程中将lock锁次数降到最低实现无锁编程

C#多线程开发-使用并发集合

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