详解C# ConcurrentBag的实现原理

详解C# ConcurrentBag的实现原理

什么是ConcurrentBag？

ConcurrentBag是.net框架中提供的一个线程安全的集合类，用于实现多线程环境下对同一数据集合进行并发的添加或移除操作。ConcurrentBag相较于其他线程安全集合的优势在于它的添加操作不会进行锁定，在添加元素时会将元素添加到不同的线程专属的内部集合中，每个线程专属的集合是通过无锁算法实现的。这样就避免了像采用锁定的方式实现的线程安全集合中的线程互相等待造成的性能损失。

ConcurrentBag的实现原理

ConcurrentBag是通过一个内部类ConcurrentBagWorker来实现多线程的安全的添加元素。每个线程拥有自己的ConcurrentBagWorker实例，它们在不同的线程中运行并根据需要添加或删除元素。ConcurrentBag的内部使用了自适应算法来确定何时以及在何时在线程安全的列表之间切换数据（向哪个线程添加元素）。ConcurrentBag使用无锁数据结构并使用Interlocked.CompareExchange来更新共享的数据结构。如果某个线程正在添加元素，ConcurrentBag在没有锁定其他线程队列的情况下，会为该线程创建一个新的队列来管理元素。

示例1：ConcurrentBag添加元素

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

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var concurrentBag = new ConcurrentBag<int>();

        Parallel.For(0, 100000, i =>
        {
            concurrentBag.Add(i);
        });

        Console.WriteLine(concurrentBag.Count);
        Console.ReadKey();
    }
}

上述示例中，我们创建了一个ConcurrentBag，并在100000次并行的操作中向其添加元素。在这个过程中，每个线程都会对自己所拥有的ConcurrentBagWorker的列表进行操作，从而实现了线程安全的添加元素操作。通过运行上面的代码，我们可以得到元素的数量并验证添加操作的线程安全性。

示例2：ConcurrentBag移除元素

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

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var concurrentBag = new ConcurrentBag<int>();

        Parallel.For(0, 100000, i =>
        {
            concurrentBag.Add(i);
        });

        int result;
        while (concurrentBag.TryTake(out result))
        {
            Console.Write(result + " ");
        }

        Console.ReadKey();
    }
}

上述示例中，我们创建了一个ConcurrentBag，并在100000次并行的操作中向其添加元素。接着我们在循环中不断地使用TryTake方法从ConcurrentBag中移除元素。我们使用Console.Write方法打印出移除的元素，从而验证元素的移除操作的线程安全性。

结论

ConcurrentBag通过使用自适应算法和ConcurrentBagWorker来实现了多线程环境下对同一数据集合进行并行的添加或移除操作。这种方法避免了像采用锁定的方式实现的线程安全集合中的线程互相等待造成的性能损失，从而提高了程序的执行效率。