C#集合之不变集合的用法

C#中的不变集合（Immutable Collection）是指一旦创建，就不能再添加、删除或更改其元素的集合。在多线程编程和函数式编程中，不变集合被广泛应用。C#中的不变集合包括ImmutableList、ImmutableDictionary、ImmutableSortedSet等，下面我们将详细讲解不变集合的用法。

不变集合的创建

使用不变集合需要安装System.Collections.Immutable包，使用NuGet包管理器进行安装。安装完毕后，在代码文件中引用命名空间System.Collections.Immutable即可使用不变集合。

using System.Collections.Immutable;

下面是创建不变集合的示例代码：

ImmutableList<int> list1 = ImmutableList.Create<int>();
ImmutableList<int> list2 = ImmutableList.CreateRange(new int[] { 1, 2, 3 });
ImmutableDictionary<int, string> dictionary1 = ImmutableDictionary.Create<int, string>();
ImmutableDictionary<int, string> dictionary2 = ImmutableDictionary.CreateRange(new Dictionary<int, string> { { 1, "a" }, { 2, "b" }, { 3, "c" } });

可以看到，创建不变集合时，使用了ImmutableList.Create和ImmutableList.CreateRange、ImmutableDictionary.Create和ImmutableDictionary.CreateRange等方法，前者用于创建空集合，后者用于创建带有元素的集合。

不变集合的操作

由于不变集合是不可变的，所以不能直接进行添加、删除或更改元素的操作。但是我们可以获取集合中的元素、获取包含某个元素的新集合、获取删除某个元素的新集合等。

示例代码：

ImmutableList<int> list1 = ImmutableList.CreateRange(new int[] { 1, 2, 3 });
ImmutableList<int> list2 = list1.Add(4);
ImmutableList<int> list3 = list2.Remove(2);
int index = list3.IndexOf(3);

可以看到，通过Add和Remove方法可以获取新的不变集合，通过IndexOf方法可以获取集合中某个元素的索引。

不变集合的并发安全性

由于不变集合是不可变的，所以可以保证并发安全。多个线程可以同时读取同一个不变集合，而不会发生读写冲突。同时也可以在多个线程之间传递不变集合，而不用担心对方会更改集合中的元素。

示例代码：

ImmutableList<int> list = ImmutableList.Create<int>();
Parallel.For(0, 10000, i =>
{
    list = list.Add(i);
});
Console.WriteLine("Count of elements in the list is {0}", list.Count);

可以看到，在多线程环境下，通过Add方法向不变集合中添加元素，不会发生读写冲突。

示例说明

示例1：使用不变集合实现高效的列表搜索

在传统的列表中，为了进行搜索，需要遍历整个列表，时间复杂度为O(n)。而使用不变集合，可以创建一个新的包含搜索结果的列表，时间复杂度为O(1)。

示例代码：

ImmutableList<int> list = ImmutableList.CreateRange(new int[] { 1, 2, 3, 4, 5 });
ImmutableList<int> result = list.Where(i => i % 2 == 0).ToImmutableList();

可以看到，通过Where方法可以获取符合条件的元素，通过ToImmutableList方法可以将结果转化为不变集合。由于不变集合的元素不可更改，因此可以保证搜索结果的安全性。

示例2：使用不变集合进行缓存

在应用程序中，缓存是常用的优化手段之一。使用不变集合可以简化缓存的实现过程，将缓存对象的读取和更新分离开来，避免了读写冲突的问题。

示例代码：

class CacheService {
    private readonly ImmutableDictionary<string, object> cache = ImmutableDictionary.Create<string, object>();

    public T Get<T>(string key) {
        if (cache.TryGetValue(key, out object value)) {
            return (T)value;
        }
        return default(T);
    }

    public CacheService Set<T>(string key, T value) {
        return new CacheService {
            cache = cache.SetItem(key, value)
        };
    }
}

可以看到，上面的代码中，CacheService通过ImmutableDictionary来实现缓存。Get方法用于获取缓存中的值，Set方法用于设置缓存中的值。在设置缓存值时，通过复制当前的不变集合，并使用SetItem方法添加或更新元素，从而保证了并发环境下的安全性。