C#中的线程安全的集合ConcurrentQueue使用示例

在多线程编程中，如何安全地在不同线程之间共享数据是一个非常重要的问题。C# 为我们提供了一些专门设计的线程安全集合，其中之一就是 ConcurrentQueue<T>。它是一种先进先出（FIFO）的数据结构，专门为多线程环境设计，允许多个线程同时执行入队和出队操作而不会引发数据竞争。

为什么选择 ConcurrentQueue？

在普通的队列（如 Queue<T>）中，如果多个线程同时对其操作，例如一个线程在添加数据，另一个线程在读取数据，就可能发生数据不一致或程序崩溃的情况。为了解决这个问题，我们可以使用锁来同步线程访问，但手动管理锁不仅复杂，还容易引入死锁等问题。

ConcurrentQueue<T> 通过内部使用锁或无锁的机制（如 CAS，Compare-and-Swap 操作），提供了高效的线程安全操作。你无需担心并发问题，可以专注于逻辑实现。

如何使用 ConcurrentQueue？

使用 ConcurrentQueue<T> 非常简单，它的基本操作和普通队列类似，包括入队 (Enqueue) 和出队 (TryDequeue)。

以下是一个实际示例，展示如何在多线程环境中使用 ConcurrentQueue<T>。

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

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        // 创建一个线程安全的队列
        ConcurrentQueue<int> queue = new ConcurrentQueue<int>();

        // 创建一个任务，向队列中添加数据
        Task producer = Task.Run(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                queue.Enqueue(i); // 入队操作
                Console.WriteLine($"Produced: {i}");
                Thread.Sleep(100); // 模拟工作负载
            }
        });

        // 创建一个任务，从队列中读取数据
        Task consumer = Task.Run(() =>
        {
            while (true)
            {
                if (queue.TryDequeue(out int item)) // 出队操作
                {
                    Console.WriteLine($"Consumed: {item}");
                }
                else
                {
                    // 如果队列为空，等待一会再尝试
                    Thread.Sleep(50);
                }

                // 退出条件，避免死循环
                if (queue.IsEmpty && producer.IsCompleted)
                {
                    break;
                }
            }
        });

        // 等待生产者和消费者任务完成
        Task.WaitAll(producer, consumer);
        Console.WriteLine("Processing complete.");
    }
}

代码说明：

入队操作：Enqueue 方法将数据添加到队列的末尾。生产者线程在运行时会不断将数据加入队列。 出队操作：TryDequeue 方法尝试从队列中移除一个元素。如果队列为空，它不会抛出异常，而是返回 false。 线程安全：多个线程可以同时访问队列，ConcurrentQueue 保证这些操作是线程安全的。 空队列检查：IsEmpty 属性可以快速判断队列是否为空，用于控制消费者的退出逻辑。

ConcurrentQueue 的适用场景

ConcurrentQueue<T> 非常适合生产者-消费者模型的场景。例如：

日志系统：一个线程记录日志，另一个线程异步处理或写入日志文件。 数据处理：在一个线程中从外部源读取数据并入队，另一个线程处理队列中的数据。 异步任务调度：任务被加入队列后，由工作线程依次取出并执行。

通过使用 ConcurrentQueue<T>，你可以轻松地处理并发环境中的数据共享问题，而无需手动管理锁或担心线程安全问题。这不仅简化了代码，也提高了程序的健壮性和可读性。