C# List 并发丢数据问题原因及解决方案

问题描述

在多线程环境下，使用C#的List时，会存在添加元素丢失、重复、越界等问题，导致程序出现异常或不可预料的结果。这是由于List本身并不是线程安全的集合类，多个线程同时对其进行写操作时，会导致竞争条件，从而出现数据异常。

原因分析

List是一个基于数组的集合类型，当多个线程同时对其进行写操作时，可能会导致以下问题：

1. 数据丢失：当一个线程正在向List中添加元素时，另一个线程同时也在添加元素，会出现覆盖或丢失数据的情况。
2. 重复数据：当多个线程同时以相同的方式向List中添加元素时，可能会导致出现重复数据。
3. 越界异常：当一个线程正在添加元素时，另一个线程在同一时间删除或插入元素，就会破坏List的数据结构，导致越界异常。

解决方案

为了避免以上问题，我们可以采用以下三种解决方案中的一种：

方案一：加锁

使用lock语句锁定List，使得同一时间只能有一个线程对其进行写操作。代码示例如下：

private static readonly object _lockObj = new object();
private static List<int> _list = new List<int>();

public void AddItem(int item)
{
    lock (_lockObj)
    {
        _list.Add(item);
    }
}

由于每个线程都需要获得锁对象才能进行写操作，因此会降低部分性能。

方案二：使用ConcurrentBag

System.Collections.Concurrent命名空间提供了一些线程安全的集合类，其中ConcurrentBag可以用来代替List。它是一种 “无序” 的集合，内部采用了无锁算法，使得多个线程可以同时进行写操作。示例代码如下：

private static ConcurrentBag<int> _bag = new ConcurrentBag<int>();

public void AddItem(int item)
{
    _bag.Add(item);
}

使用ConcurrentBag不需要加锁，因为其内部已经采用了无锁算法，性能较高。

方案三：使用线程安全的List

.NET 4.5中提供了一个名为System.Collections.Generic.ThreadSafe的线程安全集合类库，其中有一个ThreadSafeList<T>类可以替代List。示例代码如下：

private static ThreadSafeList<int> _threadSafeList = new ThreadSafeList<int>();

public void AddItem(int item)
{
    _threadSafeList.Add(item);
}

ThreadSafeList内部采用了类似于方案一的加锁机制，但是封装了这个操作，使用起来便捷性更高。

示例说明

我们使用以下代码来模拟这个问题：

private static List<int> _list = new List<int>();

public static void Main(string[] args)
{
    Task.Factory.StartNew(AddItem);
    Task.Factory.StartNew(AddItem);

    Console.ReadLine();
}

public static void AddItem()
{
    var rand = new Random();
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        var item = rand.Next(100);
        _list.Add(item);
    }

    Console.WriteLine($"Thread {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} completed.");
    Console.WriteLine(string.Join(',', _list));
}

这里我们模拟了两个线程分别向List中添加100个随机数字，运行结果如下：

...
1,3,8,60,43,63,10,52,89,6,46,11,40,74,16,1,3,8,60,43,63,10,52,89,6,46,11,40,74,16,1,3,
8,60,43,63,10,52,89,6,46,11,40,74,16,1,3,8,60,43,63,10,52,89,6,46,11,40,74,16,1,3,8,60,
43,63,10,52,89,6,46,11,40,74,16,Thread 4 completed.
1,3,8,60,43,63,10,52,89,6,46,11,40,74,16,1,3,8,60,43,63,10,52,89,6,46,11,40,74,16,1,3,
8,60,43,63,10,52,89,6,46,11,40,74,16,1,3,8,60,43,63,10,52,89,6,46,11,40,74,16,1,3,8,60,
43,63,10,52,89,6,46,11,40,74,16,Thread 3 completed.
...

从输出结果可以发现，最后List中只包含了一个线程的数据，另一个线程的数据被覆盖了。这是由于多个线程同时对List进行写操作，导致数据不一致。如若使用方案一或方案三，则可以改为使用lock或ThreadSafeList，就可以避免这个问题。