C# 集合-并发处理-锁OR线程

每次写博客，第一句话都是这样的：程序员很苦逼，除了会写程序，还得会写博客！当然，希望将来的一天，某位老板看到此博客，给你的程序员职工加点薪资吧！因为程序员的世界除了苦逼就是沉默。我眼中的程序员大多都不爱说话，默默承受着编程的巨大压力，除了技术上的交流外，他们不愿意也不擅长和别人交流，更不乐意任何人走进他们的内心！

最近悟出来一个道理，在这儿分享给大家：学历代表你的过去，能力代表你的现在，学习代表你的将来。我们都知道计算机技术发展日新月异，速度惊人的快，你我稍不留神，就会被慢慢淘汰！因此：每日不间断的学习是避免被淘汰的不二法宝。

当然，题外话说多了，咱进入正题！

简单的总结下对预防并发的理解：预防并发其实就是将并行执行修改为串行执行。（关于数据库并发问题大家可参考我的博客：C# 数据库并发的解决方案（通用版、EF版））

背景

C#命名空间：System.Collenctions和System.Collenctions.Generic 中提供了很多列表、集合和数组。例如：List<T>集合，数组Int[]，String[] ......，Dictory<T,T>字典等等。但是这些列表、集合和数组的线程都不是安全的，不能接受并发请求。下面通过一个例子来加以说明，如下：

 class Program
    {
        private static object o = new object();
        private static List<Product> _Products { get; set; }
        /*  coder:天才卧龙
         *  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(, , (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; }
    }

本例中，开辟了三个线程，通过循环向集合中添加数据，每个线程执行1000次(三个线程之间的操作是同时进行的，也是并行的)，那么，理论上结果应该是3000。

上文中我们讲到： C#命名空间：System.Collenctions和System.Collenctions.Generic 下的列表，数组，集合并不能保证线程安全，并不能防止并发的发生。

本例运行的结果也证明了上述结论的正确性，其结果如下：

由此可见：C#命名空间：System.Collenctions和System.Collenctions.Generic 下的列表，数组，集合确实不能保证线程安全，确实不能预防并发。那么我们应当怎么解决上述问题呢？

还好，自C#2.0以来，LOCK是一直存在的。使用LOCK(互斥锁)是可以做到防止并发的，示例代码如下：

 class Program
    {
        private static object o = new object();
        private static List<Product> _Products { get; set; }
        /*  coder:天才卧龙
         *  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(, , (i) =>
               {
                   lock (o)
                   {

                       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; }
    }

引入了Lock，运行结果也正常了，如下：

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，而且还会有死锁的发生(虽说概率不大，但也不能不防啊)，因此：使用LOCK进行并发编程显然不太适用。

还好，微软一直在更新自己的东西：

.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：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。

在.NET Framework4.0以后的版本中提供了命名空间：System.Collections.Concurrent 来解决线程安全问题，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:天才卧龙
         *  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();
            _Products = new Queue<Product>();
            Stopwatch swTask = new Stopwatch();//用于统计时间消耗的
            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();
            _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*/

        /*执行集合数据添加操作*/
        static void AddProducts()
        {
            Parallel.For(, , (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(, , (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; }
    }

结果如下：

从执行时间上来看，使用 ConcurrentQueue 相比 LOCK 明显快了很多！

   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

上面的实例可以使用ConcurrentBag吗？当然是可以的啦，因为：ConcurrentBag 和 ConcurrentQueue一样，操作的对象都是集合，只不过方式不同罢了！同理：小虎斑们也可以尝试使用 ConcurrentStack 在这里，我仅仅贴上使用ConcurrentBag的代码，如下：

 class Program
    {
        private static object o = new object();
        /*定义 Queue*/
        private static Queue<Product> _Products { get; set; }
        private static ConcurrentBag<Product> _ConcurrenProducts { get; set; }
        /*  coder:天才卧龙
         *  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();
            _Products = new Queue<Product>();
            Stopwatch swTask = new Stopwatch();//用于统计时间消耗的
            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();
            _ConcurrenProducts = new ConcurrentBag<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("ConcurrentBag<Product> 执行时间为：" + swTask1.ElapsedMilliseconds);
            Console.ReadLine();
        }

        /*执行集合数据添加操作*/

        /*执行集合数据添加操作*/
        static void AddProducts()
        {
            Parallel.For(, , (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(, , (i) =>
            {
                Product product = new Product();
                product.Name = "name" + i;
                product.Category = "Category" + i;
                product.SellPrice = i;
                _ConcurrenProducts.Add(product);
            });

        }
    }

    class Product
    {
        public string Name { get; set; }
        public string Category { get; set; }
        public int SellPrice { get; set; }
    }

执行结果如下：

对于并发下的其他集合，我这边就不做代码案列了！如有疑问，欢迎指正！

@陈卧龙的博客