c# 并发编程系列之四：集合的并发处理
c#中有很多的集合，分别属于两个不同的名称空间：System.Collections 和
System.Collections.Generic，其中 System.Collections.Generic 是泛型集合，
泛型集合可以避免装箱和拆箱操作，有更高的效率，对编程也更友好，这两个
名称空间下的集合分别如下表：
| System.Collections | 说明 |
| ArrayList | 使用大小会根据需要动态增加的数组来实现 IList 接口。 |
| BitArray |
管理位值的压缩数组，这些值以布尔值的形式表示， 其中 true 表示此位为开 (1)，false 表示此位为关 (0)。 |
| Hashtable |
表示根据键的哈希代码进行组织的键/值对的集合。 枚举的泛型结构是 DictionaryEntry。 |
| Queue | 表示对象的先进先出集合。 |
| SortedList | 表示键/值对的集合，这些键值对按键排序并可按照键和索引访问。 |
| Stack | 表示对象的简单后进先出 (LIFO) 非泛型集合。 |
泛型集合如下表：
| System.Collections.Generic | |
| Dictionary<TKey,TValue> |
表示键和值的集合，是Hashtable 的泛型版本， 它的枚举的泛型结构是 KeyValuePair<TKey,TValue> 而不是 DictionaryEntry。 |
| HashSet<T> | 表示值的集合。 |
| LinkedList<T> | 表示双重链接列表。 |
| List<T> |
表示可通过索引访问的对象的强类型列表。 提供用于对列表进行搜索、排序和操作的方法，是ArrayList 的泛型版本。 |
| Queue<T> | 表示对象的先进先出集合。 |
| SortedDictionary<TKey,TValue> | 表示根据键进行排序的键/值对的集合。 |
| SortedList<TKey,TValue> | 表示基于相关的 IComparer<T> 实现按键进行排序的键/值对的集合。 |
| SortedSet<T> | 表示按排序顺序维护的对象的集合。 |
| Stack<T> | 表示相同指定类型的实例可变大小的后进先出 (LIFO) 集合。 |
在大部分情况下，我们都是使用这些集合中完成对元素的增/减、读/写操作，但这些集合不是线程安全的，在并发的时候就可以能出现问题。
考虑到如下一个场景：
有一个在线学习系统，用户学习完一定的课程后需要统一进行考试来检验他们学习的效果，
培训机构定一个考试时间，所有用户在规定的时间内完成相同的试卷。
页面操作：
当用户登录系统后，在考试页面点【我要考试】的按钮，系统随机从题库中抽取100道题，
然后显示到页面上给用户进行考试，页面如下：
当用户点【开始考试】后，在 Exam.cshtml.cs 文件中生成考题的代码如下：
namespace ConcurrencyDemo.Pages { public class ExamModel : PageModel { public void OnGet() { CreateQuestions(); } public List<string> QuestionList; private void CreateQuestions() {
//为了演示方便，使用 Mock 的方式只取20笔数据，实际项目中需要到数据库中抓取 QuestionList = new List<string>() { "长期成本可划分为长期可变成本和长期不变成本。", "再贴现率下降表明货币当局试图扩大货币和信贷的供给。", "在经济过热时，政府应该增加税收和减少支出。", "西方经济学一般可分为微观经济学和宏观经济学两部分。", "为了取得最大利润，厂商应使其产品的平均收益等于平均成本。", "在其他条件不变的情况下，某种商品的需求量随着替代品价格的提高而增加。", "累进个人所得税具有内在稳定器功能。", "SMC等于SAC时，SAC达到最低点（对）。", "实行扩张性财政政策有助于抑制通货膨胀。", "计算我国的国内生产总值时，不计入外商独资企业创造的价值。", "某公司是日商独资企业，因此该公司的产值不计入我国的国内生产总值。", "如果GDP大于GNP，说明外国人在该国取得的收入大于该国人在国外取得的收入。", "对于任何类型的市场，P＝AR＝MR都是成立的。", "只有在资源已经得到充分利用的前提下，乘数效应才能发挥作用。", "在美国，投资是GDP中最大的组成部分。", "如果政府决定使经济摆脱衰退，就应当使用能减少总需求的各项政策工具。", "贫困救济金可以发挥财政政策“内在稳定器”的功能。", "规模收益递减的原因在于边际收益递减规律。", "在垄断竞争市场，每个厂商所面临的需求曲线都时向右下方倾斜的。", "边际产量曲线一定在平均产量曲线的最高点与之相交。", }; } } }
页面 Exam.cshtml 的代码如下：
@page @model ConcurrencyDemo.Pages.ExamModel @{ ViewData["Title"] = "Exam"; } <ol> @foreach (string str in Model.QuestionList) { <li style="height:30px;line-height:30px;"> <input type="radio" name="yesorno" value="1"><span style="color:blue;">对</span> <input type="radio" name="yesorno" value="0"><span style="color:blue;">错</span> @str </li> } </ol>
编译后运行效果如下：
如果开启多个线程给泛型的 List<string>添加元素，情况就不一样了。
将 Exam.cshtml.cs 中代码修改如下：
namespace ConcurrencyDemo.Pages { public class ExamModel : PageModel { public void OnGet() { CreateQuestions21(); } public List<string> QuestionList = new List<string>(); private void CreateQuestions21() { Parallel.For(1, 101, i => //使用多线程循环100次，期望在泛型集合QuestionList中写入100个题目 { Thread.Sleep(90); //模拟一个耗时操作 QuestionList.Add("题目 " + i.ToString()); //将题目写入到集合中，不同的题目用变量 i 来区分 }); }
}
}
Exam.cshtml 中代码修改如下：
@page @model ConcurrencyDemo.Pages.ExamModel @{ ViewData["Title"] = "Exam"; } <table border="1"> <tr> @for (int i = 0; i < Model.QuestionList.Count; i++) { <td style="height:30px;border:solid 1px #c0c0c0;"> @(i+1) <input type="radio" name="yesorno" value="1"><span style="color:blue;">对</span> <input type="radio" name="yesorno" value="0"><span style="color:blue;">错</span> @Model.QuestionList[i] </td> @if (i % 10 == 9) { @Html.Raw("</tr><tr>") } } </tr> </table>
编译后运行，结果如下：
可以看到最大的序号是 91 ， 即实际上只写入了 91 个题目信息，如果我们刷新页面的，这个最大序号也会发生变化，如下图 ：
此时变成了87，继续刷新页面，这个值会跟着变化，但始终是 < 100的。所以，对于 List<T> 这样的集合来说，在多线程的情况下，
会出现线程安全问题，导致结果不合符我们的预期。针对这样的情况，C# 为我们提供了并发集合，可以很好的解决上面的问题，
并发集合所在名称空间是 System.Collections.Concurrent，其下的集合类如下表：
| System.Collections.Concurrent | |
| BlockingCollection<T> | 为实现 IProducerConsumerCollection<T> 的线程安全集合提供阻塞和限制功能。 |
| ConcurrentBag<T> | 表示对象的线程安全的无序集合。 |
| ConcurrentDictionary<TKey,TValue> | 表示可由多个线程同时访问的键/值对的线程安全集合。 |
| ConcurrentQueue<T> | 表示线程安全的先进先出 (FIFO) 集合。 |
| ConcurrentStack<T> | 表示线程安全的后进先出 (LIFO) 集合。 |
下面我们改用线程安全的 ConcurrentBag<T> 来实现，如下。
将 Exam.cshtml.cs 中代码修改如下：
namespace ConcurrencyDemo.Pages { public class ExamModel : PageModel { public void OnGet() { CreateQuestions22(); } //使用线程安全的并发集合 ConcurrentBag<T> public ConcurrentBag<string> QuestionList = new ConcurrentBag<string>(); private void CreateQuestions22() { Parallel.For(1, 101, i => //多线程循环100次，期望在泛型集合QuestionList中写入100个题目 { Thread.Sleep(90); //模拟一个耗时操作 QuestionList.Add("题目 " + i.ToString()); //将数据写入到集合中，不同的题目用 i 来区分 }); }
} }
Exam.cshtml 中代码修改如下：
@page @model ConcurrencyDemo.Pages.ExamModel @{ ViewData["Title"] = "Exam"; } <table border="1"> <tr> @{int i = 0; } //定义变量 i 作为页面列表编号 @while (!Model.QuestionList.IsEmpty) //遍历集合 ConcurrentBag<string> { @if (Model.QuestionList.TryTake(out string ques)) //集合元素取值 { <td style="height:30px;border:solid 1px #c0c0c0;"> @(i+1) <input type="radio" name="yesorno" value="1"><span style="color:blue;">对</span> <input type="radio" name="yesorno" value="0"><span style="color:blue;">错</span> @ques </td> if (i % 10 == 9) { @Html.Raw("</tr><tr>"); } i = i + 1; } } </tr> </table>
编译后运行页面得到如下结果（注意这里遍历并发集合 ConcurrentBag<string> 的写法，和 List<string> 是不同的）：
可以看到，写入了 100 个题目，符合我们的期望。
其余的并发集合用法类似，具体项目中根据情况来选择，这里不一一介绍了。
