[C#]线程安全的字典ConcurrentDictionary

问题

假设现在有一个键– 值对集合需要保持同步，比如内存缓存，不过有多个线程正在对其执行读写操作。

解决方案

.NET 框架中的 ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 类型就是数据结构中的宝藏。它是线程安全的，混用细粒度锁和无锁技术，确保能在大多数场景中快速访问。另外，它的 API 需要花些功夫来熟悉。它必须处理来自多个线程的并发访问，这一点与标准的 Dictionary<TKey, TValue> 类型非常不同。但是，一旦学会了本节中的基础知识，就会发现 ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 是非常实用的集合类型。

首先来看如何对集合写入值。可以通过 AddOrUpdate 实现给键赋值：var dictionary = new ConcurrentDictionary<int, string>();

string newValue = dictionary.AddOrUpdate(0,

key => "Zero",

(key, oldValue) => "Zero");AddOrUpdate 有一些复杂，它要根据并发字典当前的内容处理若干件事情。第 1 个参数是键，第 2 个参数是委托，通过委托将键（本例中为 0）转换为待添加至字典的值（本例中为“Zero”）。只有当字典中不存在该键时，才会调用该委托。第 3 个参数是另一个委托，它把键（0）和旧值转换为已更新的、待存入字典的值（“Zero”）。同样，只有当字典中不存在该键时，才会调用该委托。AddOrUpdate 会为该键返回新值，这个新值与任意委托返回的值一样。

接下来才是真正复杂的部分：为了能让并发字典稳妥地工作，AddOrUpdate 可能需要多次调用任意委托，或同时调用两个委托。这非常罕见，却是有可能发生的。因此，委托应该简单且迅捷，并且不会产生副作用。这意味着委托应该只创建值，而不改变应用程序中的任意其他变量。所有传入 ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 的方法的委托，都同样遵循该原则。

还有若干种方法可以向字典中添加值，使用索引语句就是一种快捷方法：// 使用与前面相同的“字典”

// 添加（或更新）0键，赋值为"Zero"

dictionary[0] = "Zero";

索引语句的功能没那么强大，不能通过它基于现有值来更新一个值。然而，若有需要存入字典的值，这种语句就更为简单易用。

下面来看一下如何读取值。通过 TryGetValue 便很容易实现：// 使用与前面相同的“字典”

bool keyExists = dictionary.TryGetValue(0, out string currentValue);

如果在字典中找到 out 键，TryGetValue 就会返回 true，并且会给它赋值。相反，如果没有找到 out 键，TryGetValue 就会返回 false。也可以使用索引语句来读取值，但那种做法并不实用，这是因为它会在找不到键的情况下抛出异常。特别注意，并发字典有多个线程在读取、更新、添加和移除值，而且在许多情况下，在尝试读取某个键之前，根本无法知晓这个键是否存在。

移除值与读取值一样容易操作：// 使用与前面相同的“字典”

bool keyExisted = dictionary.TryRemove(0, out string removedValue);TryRemove 与 TryGetValue 几乎一致，唯一不同之处就是如果在字典中找到键，那么它会将键 –值对移除。

讨论

虽然 ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 是线程安全的，但这并不意味着它是原子操作。如果两个线程并发调用 AddOrUpdate，那么两者可能都会检测到键的缺失，同时并发执行各自的委托来创建新值。ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 很实用，这主要是因为有强大的 AddOrUpdate 方法。然而，它并非适用于所有情况。当有多个线程读写共享集合时，最好使用 ConcurrentDictionary<TKey, TValue>。但是，如果更新并非常态（相对较少），那么或许 ImmutableDictionary<TKey, TValue> 才是更好的选择。ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 最适用于共享数据的情况，在这种情况下，多个线程共享相同的集合。如果某些线程只添加元素，而其他线程只移除元素，那么最好使用生产者集合（或消费者集合）。ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 并非唯一的线程安全集合，BCL 也提供了 ConcurrentStack<T>、ConcurrentQueue<T> 以及 ConcurrentBag<T>。