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C#开发——ConcurrentDictionary集合

news 来源：原创 2025/6/9 19:10:29

ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 是 C# 中一个专为多线程场景设计的线程安全字典集合，位于 System.Collections.Concurrent 命名空间中。它允许多个线程同时对字典进行读写操作，而无需额外的同步措施。

一、集合特征

此集合有如下特征：

1. 线程安全：

• ConcurrentDictionary 内部使用了细粒度的锁定机制（如分段锁）或无锁技术，确保在多线程环境中的操作安全。

• 绝大多数操作（如 TryAdd 、 TryUpdate 、 TryRemove ）都是线程安全的。

2. 高性能：

• 由于采用了细粒度锁定或无锁技术， ConcurrentDictionary 在高并发场景下通常比普通字典（如 Dictionary<TKey, TValue> ）具有更好的性能。

3. 灵活的操作方法：

• 提供了多种线程安全的方法，如 TryAdd 、 TryUpdate 、 TryRemove 和 GetOrAdd 等。这些方法在操作失败时不会抛出异常，而是返回一个布尔值来指示操作是否成功。

• 特别需要注意的是， AddOrUpdate 和 GetOrAdd 方法中涉及委托的部分并不是完全原子性的，需要开发者特别注意。

4. 允许空值：• 与普通 Dictionary 不同， ConcurrentDictionary 允许键或值为 null 。

使用示例以下是一个简单的 ConcurrentDictionary 使用示例：

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

class Program
{
    static void Main()
    {
        // 创建一个线程安全的 ConcurrentDictionary 实例
        ConcurrentDictionary<int, string> concurrentDictionary = new ConcurrentDictionary<int, string>();

        // 使用 TryAdd 方法添加键值对
        concurrentDictionary.TryAdd(1, "one");
        concurrentDictionary.TryAdd(2, "two");

        // 使用 TryGetValue 方法获取值
        if (concurrentDictionary.TryGetValue(1, out string value))
        {
            Console.WriteLine($"Value for key 1: {value}");
        }

        // 使用 AddOrUpdate 方法更新或添加键值对
        concurrentDictionary.AddOrUpdate(1, "new one", (key, oldValue) => "updated one");

        // 使用 TryRemove 方法移除键值对
        concurrentDictionary.TryRemove(2, out _);

        // 在多线程环境中操作 ConcurrentDictionary
        Parallel.For(3, 10, i =>
        {
            concurrentDictionary.TryAdd(i, i.ToString());
        });

        // 遍历并输出 ConcurrentDictionary 中的所有元素
        foreach (var item in concurrentDictionary)
        {
            Console.WriteLine($"Key: {item.Key}, Value: {item.Value}");
        }
    }
}

二、适用场景

• 多线程数据共享：当多个线程需要同时访问和修改同一个字典时， ConcurrentDictionary 是最合适的选择。

• 高并发场景：在需要高性能并发访问的场景中， ConcurrentDictionary 的细粒度锁定机制可以显著减少锁竞争。注意事项• 委托方法的线程安全性： AddOrUpdate 和 GetOrAdd 方法中涉及委托的部分并不是完全原子性的，因此需要开发者确保委托操作的线程安全性。

• 性能优化：虽然 ConcurrentDictionary 本身性能较高，但在极端高并发场景下，仍需根据实际需求进行性能测试和优化。

总之， ConcurrentDictionary 是一个强大的线程安全字典集合，适用于多线程和高并发场景，能够有效解决普通字典在多线程环境下的线程安全问题。

三、高性能

ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 的高性能主要体现在以下几个方面：

1. 细粒度锁定与无锁算法

ConcurrentDictionary 内部采用了细粒度锁定（分段锁）或无锁算法（Lock-free），这使得多个线程可以同时对字典进行操作，而不会出现严重的竞争条件。例如，它使用了 CAS（Compare and Swap）操作来确保线程安全，这种无锁机制减少了线程间的同步开销。

2. 动态扩容

ConcurrentDictionary 支持动态扩容，能够根据实际负载自动调整内部数据结构的大小。这种动态调整能力使得它能够适应不同的并发场景，避免因固定容量导致的性能瓶颈。

3. 高效的哈希表实现

ConcurrentDictionary 内部基于哈希表实现，使用散列函数将键映射到存储位置，并通过链表或红黑树处理冲突。这种数据结构支持常数时间复杂度（O(1)）的添加、查找和修改操作，从而提高了整体性能。

4. 适用于多生产者和多消费者场景

ConcurrentDictionary 的设计目标是在多生产者和多消费者环境中提供高效的并发访问。它允许多个线程同时对字典进行读写操作，而无需额外的同步机制。

5. 减少锁的开销

与传统的线程安全集合（如通过 lock 实现的同步机制）相比， ConcurrentDictionary 通过优化的并发算法减少了锁的使用频率和范围。这种设计不仅提高了性能，还降低了死锁的风险。

6. 灵活的操作方法

ConcurrentDictionary 提供了多种线程安全的操作方法，如 TryAdd 、 TryUpdate 和 TryRemove ，这些方法在操作失败时不会抛出异常，而是返回布尔值，从而避免了异常处理的开销。

总结 ConcurrentDictionary 的高性能主要得益于其细粒度锁定或无锁算法、动态扩容能力、高效的哈希表实现以及对多生产者和多消费者场景的优化。这些特性使其在高并发场景下表现出色，能够显著提高多线程应用程序的性能。

四、常用属性

Count：获取字典中键值对的数量。

IsEmpty：判断字典是否为空。

Keys：获取字典中所有键的集合（返回 IEnumerable<TKey> ）。

Values：获取字典中所有值的集合（返回 IEnumerable<TValue> ）。

实例代码：

var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>();
dict.TryAdd(1, "one");
dict.TryAdd(2, "two");
//Count 属性
Console.WriteLine(dict.Count); // 输出：2


var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>();
//IsEmpty 属性
Console.WriteLine(dict.IsEmpty); // 输出：True
dict.TryAdd(1, "one");
Console.WriteLine(dict.IsEmpty); // 输出：False

var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>
{
    {1, "one"},
    {2, "two"}
};
//Keys 属性
foreach (var key in dict.Keys)
{
    Console.WriteLine(key); // 输出：1, 2
}

var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>
{
    {1, "one"},
    {2, "two"}
};
//Values 属性
foreach (var value in dict.Values)
{
    Console.WriteLine(value); // 输出："one", "two"
}

var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>();
bool added = dict.TryAdd(1, "one");
Console.WriteLine(added); // 输出：True
added = dict.TryAdd(1, "one");
Console.WriteLine(added); // 输出：False

五、常用方法

TryAdd(TKey key, TValue value)：尝试将键值对添加到字典中。如果键已存在，则返回 false 。

TryUpdate(TKey key, TValue newValue, TValue comparisonValue)：尝试更新指定键的值。只有当当前值等于 comparisonValue 时，才会更新为 newValue 。

TryRemove(TKey key, out TValue value)：尝试从字典中移除指定键的键值对，并返回其值。

GetOrAdd(TKey key, TValue value)：如果字典中不存在指定键，则添加键值对并返回值；如果已存在，则返回已有的值。

GetOrAdd(TKey key, Func<TKey, TValue> valueFactory)：如果字典中不存在指定键，则通过 valueFactory 动态生成值并添加到字典中。

AddOrUpdate(TKey key, TValue addValue, Func<TKey, TValue, TValue> updateValueFactory)：如果键不存在，则添加 addValue ；如果键已存在，则通过 updateValueFactory 更新值。

ContainsKey(TKey key)：判断字典中是否包含指定键。

Clear()：清空字典中的所有键值对。

参考代码：

var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>();
//TryAdd()方法
bool added = dict.TryAdd(1, "one");
Console.WriteLine(added); // 输出：True
added = dict.TryAdd(1, "one");
Console.WriteLine(added); // 输出：False

var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>
{
    {1, "one"}
};
//TryUpdate()方法
bool updated = dict.TryUpdate(1, "new one", "one");
Console.WriteLine(updated); // 输出：True
updated = dict.TryUpdate(1, "updated one", "old one");
Console.WriteLine(updated); // 输出：False

var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>
{
    {1, "one"}
};
//TryRemove()方法
bool removed = dict.TryRemove(1, out string value);
Console.WriteLine(removed); // 输出：True
Console.WriteLine(value); // 输出："one"


var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>();
//GetOrAdd()方法
string value = dict.GetOrAdd(1, "one");
Console.WriteLine(value); // 输出："one"
value = dict.GetOrAdd(1, "new one");
Console.WriteLine(value); // 输出："one"（未更新）

var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>();
//GetOrAdd()方法
string value = dict.GetOrAdd(1, key => $"Value for {key}");
Console.WriteLine(value); // 输出："Value for 1"

var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>();
//AddOrUpdate()方法
dict.AddOrUpdate(1, "one", (key, oldValue) => $"Updated {oldValue}");
Console.WriteLine(dict[1]); // 输出："one"
dict.AddOrUpdate(1, "new one", (key, oldValue) => $"Updated {oldValue}");
Console.WriteLine(dict[1]); // 输出："Updated one"

var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>
{
    {1, "one"}
};
//ContainsKey()方法
bool contains = dict.ContainsKey(1);
Console.WriteLine(contains); // 输出：True

var dict = new ConcurrentDictionary<int, string>
{
    {1, "one"}
};
//Clear()方法
dict.Clear();
Console.WriteLine(dict.Count); // 输出：0

其他方法

GetEnumerator()：返回一个枚举器，用于遍历字典中的键值对。

ToDictionary()：将ConcurrentDictionary转换为普通的Dictionary<TKey, TValue>。

总结