C#常用的线程安全队列和同步机制

C# 中,ConcurrentQueue<T>ConcurrentBag<T>ConcurrentDictionary<TKey, TValue>BlockingCollection<T>lockMutexSemaphoreSlim 等。下面是它们的详细介绍和相应的代码示例。

1. 线程安全队列

ConcurrentQueue<T>

ConcurrentQueue<T> 是一个线程安全的先进先出(FIFO)队列,适用于在多线程环境中进行高效的入队和出队操作。

示例代码:

using System;
using System.Collections.Concurrent;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

public class ConcurrentQueueExample
{
    private ConcurrentQueue<int> queue = new ConcurrentQueue<int>();

    public void Producer()
    {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            queue.Enqueue(i);
            Console.WriteLine($"Produced: {i}");
            Thread.Sleep(100); // 模拟生产延迟
        }
    }

    public void Consumer()
    {
        while (true)
        {
            if (queue.TryDequeue(out int item))
            {
                Console.WriteLine($"Consumed: {item}");
                Thread.Sleep(200); // 模拟消费延迟
            }
            else
            {
                Thread.Sleep(50); // 暂时无数据,稍等
            }
        }
    }
    
    public static void Main()
    {
        var example = new ConcurrentQueueExample();
        Task.Run(() => example.Producer());
        Task.Run(() => example.Consumer());

        Console.ReadLine(); // 等待用户输入以保持应用程序运行
    }
}

2. 线程安全集合

ConcurrentBag<T>

ConcurrentBag<T> 是一个线程安全的集合,允许在多个线程中高效地添加和移除项目,适用于需要不排序的集合的场景。

示例代码:

using System;
using System.Collections.Concurrent;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

public class ConcurrentBagExample
{
    private ConcurrentBag<int> bag = new ConcurrentBag<int>();

    public void AddItems()
    {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            bag.Add(i);
            Console.WriteLine($"Added: {i}");
            Thread.Sleep(100); // 模拟添加延迟
        }
    }

    public void TakeItems()
    {
        while (true)
        {
            if (bag.TryTake(out int item))
            {
                Console.WriteLine($"Taken: {item}");
                Thread.Sleep(200); // 模拟处理延迟
            }
            else
            {
                Thread.Sleep(50); // 暂时无数据,稍等
            }
        }
    }

    public static void Main()
    {
        var example = new ConcurrentBagExample();
        Task.Run(() => example.AddItems());
        Task.Run(() => example.TakeItems());

        Console.ReadLine(); // 等待用户输入以保持应用程序运行
    }
}

ConcurrentDictionary<TKey, TValue>

ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 是一个线程安全的键值对集合,允许多个线程同时读写字典。

示例代码:

using System;
using System.Collections.Concurrent;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

public class ConcurrentDictionaryExample
{
    private ConcurrentDictionary<int, string> dictionary = new ConcurrentDictionary<int, string>();

    public void AddItems()
    {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            dictionary.TryAdd(i, $"Value {i}");
            Console.WriteLine($"Added: Key={i}, Value=Value {i}");
            Thread.Sleep(100); // 模拟添加延迟
        }
    }

    public void ReadItems()
    {
        while (true)
        {
            foreach (var kvp in dictionary)
            {
                Console.WriteLine($"Key={kvp.Key}, Value={kvp.Value}");
            }
            Thread.Sleep(500); // 模拟读取延迟
        }
    }

    public static void Main()
    {
        var example = new ConcurrentDictionaryExample();
        Task.Run(() => example.AddItems());
        Task.Run(() => example.ReadItems());

        Console.ReadLine(); // 等待用户输入以保持应用程序运行
    }
}

3. 线程安全同步机制

lock 关键字

lock 是用于确保同一时间只能有一个线程访问特定代码块的机制。

示例代码:

using System;
using System.Threading;

public class LockExample
{
    private readonly object lockObject = new object();
    private int sharedResource;

    public void AccessResource()
    {
        lock (lockObject)
        {
            // 线程安全地访问或修改共享资源
            sharedResource++;
            Console.WriteLine($"Shared Resource: {sharedResource}");
        }
    }

    public static void Main()
    {
        var example = new LockExample();
        Thread thread1 = new Thread(() => example.AccessResource());
        Thread thread2 = new Thread(() => example.AccessResource());

        thread1.Start();
        thread2.Start();

        thread1.Join();
        thread2.Join();
    }
}

Mutex

Mutex 是一个更强大的同步工具,适用于在进程间进行线程同步。

示例代码:

using System;
using System.Threading;

public class MutexExample
{
    private static Mutex mutex = new Mutex();

    public void AccessResource()
    {
        mutex.WaitOne(); // 请求获取互斥锁
        try
        {
            // 线程安全地访问共享资源
            Console.WriteLine($"Resource accessed by {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
            Thread.Sleep(1000); // 模拟处理时间
        }
        finally
        {
            mutex.ReleaseMutex(); // 释放互斥锁
        }
    }

    public static void Main()
    {
        var example = new MutexExample();
        Thread thread1 = new Thread(() => example.AccessResource());
        Thread thread2 = new Thread(() => example.AccessResource());

        thread1.Start();
        thread2.Start();

        thread1.Join();
        thread2.Join();
    }
}

SemaphoreSlim

SemaphoreSlim 是一个轻量级的线程同步机制,用于限制同时访问某些资源的线程数量。

示例代码:

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

public class SemaphoreSlimExample
{
    private static SemaphoreSlim semaphore = new SemaphoreSlim(2); // 允许最多两个线程同时访问

    public async Task AccessResourceAsync()
    {
        await semaphore.WaitAsync(); // 请求获取信号量
        try
        {
            // 线程安全地访问共享资源
            Console.WriteLine($"Resource accessed by {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
            await Task.Delay(1000); // 模拟处理时间
        }
        finally
        {
            semaphore.Release(); // 释放信号量
        }
    }

    public static async Task Main()
    {
        var example = new SemaphoreSlimExample();
        Task[] tasks = new Task[5];

        for (int i = 0; i < tasks.Length; i++)
        {
            tasks[i] = example.AccessResourceAsync();
        }

        await Task.WhenAll(tasks);
    }
}
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