c#高效的线程安全队列ConcurrentQueue的实现

实现线程安全队列的方式很多，而ConcurrentQueue是.NET Framework提供的线程安全的队列实现，同时是高效的，下面详细讲解一下如何使用和实现ConcurrentQueue。

ConcurrentQueue是什么？

ConcurrentQueue是.NET Framework提供的线程安全的队列实现，支持多线程并发操作。它实现了IProducerConsumerCollection和IEnumerable接口，并且提供了一些特殊的方法和属性，例如Enqueue、TryDequeue等。

使用ConcurrentQueue

使用ConcurrentQueue很简单，只需要引入System.Collections.Concurrent命名空间，然后实例化一个ConcurrentQueue对象即可。下面是一个示例：

using System.Collections.Concurrent;

...

ConcurrentQueue<int> queue = new ConcurrentQueue<int>();

在上面的示例中，实例化了一个ConcurrentQueue对象，它可以存放int类型的数据。接下来，我们可以使用Enqueue、TryDequeue等方法操作队列。

下面是一些常用的方法和属性：

• Enqueue(T item)：将一个元素添加到队列末尾。

• TryDequeue(out T result)：尝试从队列头部取出一个元素，并将其赋值给result，返回是否取出成功的bool值。

• Count：获取队列中元素的数量。

实现ConcurrentQueue

对于ConcurrentQueue的实现，简单来说，就是利用了非阻塞的无锁算法 CAS（Compare-And-Swap，比较并替换）来实现。

CAS算法是一种基于硬件实现的原子操作，它提供了一种线程安全的方式来更新共享的变量。当多个线程同时尝试更新同一个变量时，只有一个线程能够成功，而其他的线程则需要重新尝试，直到更新成功为止。

ConcurrentQueue的具体实现过程，可以参考下面的示例：

public class ConcurrentQueue<T>
{
    private volatile Node<T> _head;
    private volatile Node<T> _tail;

    public ConcurrentQueue()
    {
        _head = _tail = new Node<T>(default(T)); // 创建一个空节点
    }

    public void Enqueue(T item)
    {
        var newNode = new Node<T>(item);

        while (true)
        {
            var tail = _tail;
            var next = tail.Next;

            if (tail == _tail)
            {
                if (next == null)
                {
                    if (Interlocked.CompareExchange(ref tail.Next, newNode, null) == null)
                    {
                        Interlocked.CompareExchange(ref _tail, newNode, tail);
                        return; // 成功插入节点
                    }
                }
                else
                {
                    Interlocked.CompareExchange(ref _tail, next, tail);
                }
            }
        }
    }

    public bool TryDequeue(out T result)
    {
        while (true)
        {
            var head = _head;
            var tail = _tail;
            var next = head.Next;

            if (head == _head)
            {
                if (head == tail)
                {
                    if (next == null)
                    {
                        result = default(T); // 队列为空
                        return false;
                    }
                    Interlocked.CompareExchange(ref _tail, next, tail);
                }
                else
                {
                    result = next.Value;
                    if (Interlocked.CompareExchange(ref _head, next, head) == head)
                    {
                        return true;
                    }
                }
            }
        }
    }

    private class Node<T>
    {
        public readonly T Value;
        public volatile Node<T> Next;

        public Node(T value)
        {
            Value = value;
        }
    }
}

在上面的示例中，我们实现了Enqueue和TryDequeue方法，利用CAS算法实现了线程安全的入队和出队操作。

具体实现过程如下：

• Enqueue：在尾节点后面插入一个新节点，如果在插入之前尾节点发生了变化，则需要重新获取尾节点，直到插入成功为止。

• TryDequeue：获取头节点和尾节点，获取头节点的下一个节点，通过CAS算法进行头节点的更新，如果更新成功，则返回被删元素的值；否则，重新开始循环。如果队列为空，则返回默认值。

综上，通过ConcurrentQueue的实现，我们可以实现线程安全的队列操作。