线程安全实现方式对比

使用线程安全的集合

线程安全的集合类都位于System.Collections.Concurrent命名空间中

ConcurrentBag<T>：表示一个线程安全的无序集合，允许并发添加和移除元素。它不同于传统的集合，因为它不保证元素的顺序，并且不支持枚举过程中的元素修改。ConcurrentBag<T> 特别适合用于生产者-消费者场景，其中多个线程可能同时向集合中添加或移除元素。
ConcurrentQueue<T>：表示一个线程安全的FIFO（先进先出）集合。它支持并发的出队和入队操作。与 ConcurrentBag<T> 不同，ConcurrentQueue<T> 保证了元素的FIFO顺序。
ConcurrentStack<T>：表示一个线程安全的LIFO（后进先出）集合。它支持并发的推入和弹出操作，类似于传统的栈数据结构。
ConcurrentDictionary<TKey, TValue>：表示一个线程安全的键值对集合，支持并发的添加、访问、更新和删除操作。这个集合类非常有用，当你需要在多线程环境中存储和检索键值对时，可以使用它。
BlockingCollection<T>：这是一个特殊的线程安全集合，它提供了阻塞和界限功能。当集合为空时，尝试从集合中获取元素的线程会被阻塞，直到有元素可用为止。同样，当集合达到其界限时，尝试向集合中添加元素的线程也会被阻塞。这使得 BlockingCollection<T> 非常适合用于生产者-消费者模式，其中生产者线程向集合中添加元素，而消费者线程从集合中移除元素。
ConcurrentLinkedQueue<T> 和 ConcurrentLinkedDeque<T>：这些是 .NET Core 中引入的集合，分别提供了线程安全的队列和双端队列实现。它们基于链接节点，因此不需要预先分配固定大小的数组。
AsyncCollection<T>：这不是.NET标准库的一部分，但可以在一些第三方库或用户自定义代码中实现。AsyncCollection<T> 通常用于异步编程模型，允许以异步方式添加和移除元素。
在C#中，特别是在.NET Core和.NET 5+中，System.Threading.Channels 命名空间提供了一个Channel<T>类型，它提供了基于通道的异步消息传递功能。

Channel<T>类允许生产者线程向通道写入消息，消费者线程从通道读取消息。通道是线程安全的，并且支持异步操作，因此它们是并发编程中的强大工具。using System;

using System.Threading.Channels;  
using System.Threading.Tasks;  
  
class Program  
{  
    static async Task Main(string[] args)  
    {  
        // 创建一个具有默认容量的通道  
        var channel = Channel.CreateUnbounded<int>();  
  
        // 生产者任务  
        var producerTask = Task.Run(async () =>  
        {  
            for (int i = 0; i < 10; i++)  
            {  
                // 将消息写入通道  
                await channel.Writer.WriteAsync(i);  
                Console.WriteLine($"Produced: {i}");  
            }  
  
            // 标记通道完成写入，告诉消费者没有更多的消息了  
            channel.Writer.Complete();  
        });  
  
        // 消费者任务  
        var consumerTask = Task.Run(async () =>  
        {  
            await foreach (var item in channel.Reader.ReadAllAsync())  
            {  
                // 从通道读取消息  
                Console.WriteLine($"Consumed: {item}");  
            }  
  
            // 当通道完成读取时，ReadAllAsync 会完成  
            Console.WriteLine("All messages consumed.");  
        });  
  
        // 等待生产者和消费者任务完成  
        await Task.WhenAll(producerTask, consumerTask);  
    }  
}

同步机制

1、原子操作 InterLocked

2、信号量

3、线程锁

原子操作和锁在多线程编程中都是重要的同步机制，但它们之间存在显著的区别。以下是对两者区别的清晰归纳：

一、定义与性质

原子操作：原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作，这种操作一旦开始，就会一直运行到结束，中间不会有任何context switch（即不会切换到另一个线程）。它是多个操作不可被打乱或切割的整体，具有不可分割性。
锁：锁是一种并发控制机制，用于保护共享资源，防止多个线程同时访问或修改同一个资源，从而避免数据不一致或产生竞态条件。锁提供了互斥访问的机制，确保在某一时刻只有一个线程能够获取锁并执行临界区代码。

二、执行效率与开销

原子操作：原子操作通常比锁执行得更快，因为它不会引起上下文切换，从而减少了开销。此外，原子操作通常由底层硬件或处理器直接支持，这进一步提高了其执行效率。
锁：相比之下，锁的使用通常会导致上下文切换，因为当一个线程试图获取已被其他线程持有的锁时，它会被阻塞并进入等待状态。这种上下文切换带来了额外的开销，并可能降低程序的总体性能。

三、资源占用与释放

原子操作：在执行过程中，原子操作会一直占用资源并等待条件满足。它不会被其他任务或事件中断，因此不需要释放资源。
锁：当一个线程获取锁并执行完临界区代码后，它会释放锁，从而允许其他线程获取锁并访问共享资源。这种机制确保了资源的合理利用和并发访问的安全性。

四、使用场景与灵活性

原子操作：原子操作通常用于简单的、短小的临界区代码，以及对性能要求极高的场景。由于原子操作的不可分割性，它非常适合于确保某些关键操作的原子性和一致性。
锁：锁提供了更高级别的并发控制，适用于更复杂的临界区代码和需要更精细控制并发访问的场景。锁还支持可重入性、可中断性和公平性等特性，为开发者提供了更多的灵活性和控制选项。

综上所述，原子操作和锁在定义、执行效率、资源占用与使用场景等方面存在显著差异。在选择使用哪种机制时，开发者应根据具体需求和场景进行权衡和选择。

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本文作者：DaiWK
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