.NET Core 中的 System.Threading.Channels 深入解析

吕岚伊

于 2025-06-10 09:07:22 发布

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.NET Core 中的 System.Threading.Channels 深入解析

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概述

System.Threading.Channels 是 .NET 提供的一个高性能生产者/消费者模型实现，它位于 System.Threading.Channels 命名空间下。这个库为异步数据流处理提供了强大的基础设施，特别适合需要高效数据传递的场景。

核心概念

生产者/消费者模型

生产者/消费者模型是一种常见的并发编程模式，其中：

生产者：负责生成数据项
消费者：负责处理这些数据项
通道：作为中间缓冲区，协调两者之间的数据流动

这种模式解耦了生产者和消费者，使它们可以独立工作，提高系统整体的吞吐量。

通道类型

无界通道(Unbounded Channels)

无界通道不对存储的数据量设置上限：

var channel = Channel.CreateUnbounded<T>();

特点：

内存使用会随着数据量增加而增长
写入操作通常是同步完成的
适合数据生产速度不稳定但内存充足的场景

有界通道(Bounded Channels)

有界通道设置了最大容量限制：

var channel = Channel.CreateBounded<T>(capacity: 100);

特点：

当通道满时，写入操作会根据配置的策略处理
防止内存无限增长
适合需要控制资源使用的场景

满通道处理策略

当有界通道满时，可以通过 BoundedChannelFullMode 指定行为：

| 策略 | 说明 | |------|------| | Wait | 默认行为，等待空间可用 | | DropNewest | 丢弃最新的项 | | DropOldest | 丢弃最旧的项 | | DropWrite | 直接丢弃当前写入项 |

核心API详解

生产者API

通过 ChannelWriter 提供：

TryWrite(T)：尝试同步写入
WriteAsync(T)：异步写入
WaitToWriteAsync()：等待写入能力
Complete()：标记通道完成
TryComplete()：尝试标记完成

消费者API

通过 ChannelReader 提供：

TryRead(out T)：尝试同步读取
ReadAsync()：异步读取
WaitToReadAsync()：等待可读数据
ReadAllAsync()：获取异步枚举器(支持await foreach)

实际应用模式

创建模式示例

GPS坐标跟踪示例：

public record Coordinates(double Latitude, double Longitude);

// 创建无界通道
var channel = Channel.CreateUnbounded<Coordinates>();

// 创建有界通道(容量100，满时丢弃旧数据)
var boundedChannel = Channel.CreateBounded<Coordinates>(new BoundedChannelOptions(100)
{
    FullMode = BoundedChannelFullMode.DropOldest
});

生产者模式

基本生产者：

async Task ProduceCoordinates(ChannelWriter<Coordinates> writer)
{
    while (true)
    {
        var coords = await GetNextCoordinatesAsync();
        await writer.WriteAsync(coords);
    }
    writer.Complete();
}

带背压控制的生产者：

async Task ProduceWithBackpressure(ChannelWriter<Coordinates> writer)
{
    while (await writer.WaitToWriteAsync())
    {
        var coords = await GetNextCoordinatesAsync();
        if (!writer.TryWrite(coords))
        {
            // 处理写入失败
        }
    }
}

消费者模式

基本消费者：

async Task ConsumeCoordinates(ChannelReader<Coordinates> reader)
{
    while (await reader.WaitToReadAsync())
    {
        while (reader.TryRead(out var coords))
        {
            ProcessCoordinates(coords);
        }
    }
}

使用异步枚举的消费者：

async Task ConsumeWithAsyncEnum(ChannelReader<Coordinates> reader)
{
    await foreach (var coords in reader.ReadAllAsync())
    {
        ProcessCoordinates(coords);
    }
}