C# 中线程安全都有哪些

武藤一雄2025-12-27 11:01

文章目录

    • 为什么会出现线程不安全？
    • [C# 实现线程安全的常用手段](# 实现线程安全的常用手段)
      • [1. 排它锁/互斥锁（Lock）](#1. 排它锁/互斥锁（Lock）)
      • [2. 原子操作（Interlocked）](#2. 原子操作（Interlocked）)
      • [3. 读写锁 (ReaderWriterLockSlim)](#3. 读写锁 (ReaderWriterLockSlim))
      • [4. 线程安全集合](#4. 线程安全集合)
        • [4.1. 线程安全集合的类型与特点](#4.1. 线程安全集合的类型与特点)
          • [4.1.1. `System.Collections.Concurrent` 命名空间](#4.1.1. System.Collections.Concurrent 命名空间)
          • [4.1.2. 其他线程安全容器](#4.1.2. 其他线程安全容器)
        • [4.2. **线程安全集合的实现原理**](#4.2. 线程安全集合的实现原理)
          • [1. 无锁算法（Lock-Free）](#1. 无锁算法（Lock-Free）)
          • [2. 分片设计（Partitioning）](#2. 分片设计（Partitioning）)
          • [3. 细粒度锁（Fine-Grained Locking）](#3. 细粒度锁（Fine-Grained Locking）)
          • [4. 阻塞同步](#4. 阻塞同步)
        • [4.3. **示例与性能对比**](#4.3. 示例与性能对比)
          • [1. `ConcurrentQueue` 生产者-消费者模型](#1. ConcurrentQueue 生产者-消费者模型)
          • [2. `ConcurrentDictionary` 高频计数](#2. ConcurrentDictionary 高频计数)
            • [1. TryAdd()](#1. TryAdd())
            • [2. TryUpdate()](#2. TryUpdate())
            • [3. AddOrUpdate()](#3. AddOrUpdate())
            • [4. GetOrAdd()](#4. GetOrAdd())
            • [5. TryRemove()](#5. TryRemove())
            • 使用场景
            • 总结
          • [3. 性能对比（普通集合 vs 线程安全集合）](#3. 性能对比（普通集合 vs 线程安全集合）)
      • [4.4. 线程安全集合的局限性](#4.4. 线程安全集合的局限性)
      • 4.5.如何选择线程安全集合
      • [4.6. 总结](#4.6. 总结)
    • 易混淆
      • [async / await 本身不保证线程安全](#async / await 本身不保证线程安全)
      • volatile
        • [为什么需要 volatile？](#为什么需要 volatile？)
        • 核心作用
        • [典型场景：单标记停止（Stop Flag）](#典型场景：单标记停止（Stop Flag）)
        • [关键区别：volatile vs lock](#关键区别：volatile vs lock)
        • [volatile 的局限性](#volatile 的局限性)

在软件工程中，处理并发就像管理一个繁忙的十字路口。如果没有任何规则，必然发生碰撞（数据损坏）。

在多线程环境下，多个线程同时访问同一块内存区域（比如一个变量或对象），如果最终的结果符合预期且程序没有崩溃或数据错乱，这就是线程安全。

通俗点说，线程安全就是给共享资源加了"红绿灯"或"排队机制"，防止大家一哄而上把数据写乱。

为什么会出现线程不安全？

最经典的情况是 读-改-写 操作。假设一个变量 count = 0，两个线程同时执行 count++：

  1. 线程 A 读取 count 为 0。
  2. 线程 B 读取 count 为 0。
  3. 线程 A 计算 0 + 1 = 1，写入内存。
  4. 线程 B 计算 0 + 1 = 1，写入内存。结果本该是 2，现在变成了 1。这就是典型的"竞态条件"。

C# 实现线程安全的常用手段

1. 排它锁/互斥锁（Lock）

这是最常用、最简单的办法。它确保同一时刻只有一个线程能进入代码块。

lock 关键字是 Monitor 类的语法糖。它会在对象头中设置一个标记，强制其他线程排队。

  • 注意 ：永远不要 lock 一个 string 或 this。必须声明一个私有的 readonly object。
csharp 复制代码 
private readonly object _locker = new object();
private int _count = 0;

public void Increment()
{
    // 只有拿到 _locker 的线程才能进去
    lock (_locker)
    {
        _count++;
    }
}

2. 原子操作（Interlocked）

如果你只是想做简单的加减法或替换lock太重了。底层 CPU 指令可以直接保证这些操作的原子性。

确保对共享变量的读写操作是线程安全的。

使用 Interlocked 类 避免竞争条件，可以在不阻塞线程(lock、Monitor)的情况下，对目标对象做修改。

方法 作用
CompareExchange() 比较两个数是否相等，如果相等，则替换第一个值。
Decrement() 以原子操作的形式递减指定变量的值并存储结果。
Exchange() 以原子操作的形式，设置为指定的值并返回原始值。
Increment() 以原子操作的形式递增指定变量的值并存储结果。
Add() 对两个数进行求和并用和替换第一个整数，上述操作作为一个原子操作完成。
Read() 返回一个以原子操作形式加载的值。
csharp 复制代码 
using System.Threading;

private int _count = 0;

public void Increment()
{
    // 性能极高，直接在硬件层面保证一次性完成
    Interlocked.Increment(ref _count);
}

这是性能最高的方案。它不涉及内核对象的上下文切换，而是利用 CPU 的特殊指令（如 Compare-Exchange）直接完成操作。

适用场景：简单的计数器、状态标记。

csharp 复制代码 
private int _isRunning = 0; // 0: 停止, 1: 运行中

public void Start()
{
    // 如果原值是 0，则改为 1。整个过程是原子的。
    if (Interlocked.CompareExchange(ref _isRunning, 1, 0) == 0)
    {
        // 执行启动逻辑
    }
}
ref _isStopping 目标位置，你想要修改的那个变量。必须用 ref，因为要直接修改内存。
1 (value) 期望写入的值 如果条件满足，你想把变量改成什么。
0 (comparand) 对比值 你认为这个变量现在应该是多少。
// 如果返回 0：说明在你修改之前，它的确是 0，你成功把它改成了 1。你是第一个抢到执行权的线程。
// 如果返回 1：说明在你尝试修改时，已经有别的线程把它改成 1 了。你"抢占"失败。

//或者比如这样
if (Interlocked.Exchange(ref _isExecuting, 1) == 1) return;
try
{
    if (sender != null && sender is ListViewItem)
    {
           if (_studyHistoryItem.ExamCommand.CanExecute(null))
           {
                _logger.Debug($"HandleDoubleClick Source = {e.Source}");
                _studyHistoryItem.ExamCommand.Execute(null);
           }
     }
}
finally
{
      Interlocked.Exchange(ref _isExecuting, 0);
}

3. 读写锁 (ReaderWriterLockSlim)

当你的场景是"多读少写"时，lock 会限制性能。可以使用 ReaderWriterLockSlim，它允许多个线程同时读，但在写的时候会排斥所有读写请求。

当你的数据被频繁读取，但很少修改时，用 lock 会导致读取操作也必须排队，效率极低。读写锁允许多个"读者"同时进入，但"写者"进入时会独占。

csharp 复制代码 
private ReaderWriterLockSlim _rwLock = new ReaderWriterLockSlim();
private List<string> _data = new List<string>();

public void ReadData()
{
    _rwLock.EnterReadLock();
    try { /* 执行读取 */ }
    finally { _rwLock.ExitReadLock(); }
}

4. 线程安全集合

不要在多线程里直接用 List 或 Dictionary<K, V> 。请使用 System.Collections.Concurrent 命名空间下的类。标准集合（如 List）在多线程下执行 Add 或 Foreach 极易抛出异常。并发集合内部通过分段锁或无锁算法（Lock-Free）解决了这个问题

  • ConcurrentDictionary: 线程安全字典。
  • ConcurrentQueue: 线程安全队列（无锁编程实现）。
4.1. 线程安全集合的类型与特点
4.1.1. System.Collections.Concurrent 命名空间
集合类型 数据结构 适用场景 核心特性
ConcurrentQueue 先进先出队列 生产者-消费者模型 无锁算法（CAS 操作）
ConcurrentStack 后进先出栈 临时任务缓存 无锁（Treiber 栈）
ConcurrentBag 无序集合 线程本地存储 + 全局共享 基于线程本地存储的分片设计
ConcurrentDictionary<K,V> 哈希表 高频键值读写 细粒度锁（桶级别锁）
BlockingCollection 阻塞式集合 有界/无界队列 + 阻塞操作 封装 ConcurrentQueue 并提供阻塞语义
4.1.2. 其他线程安全容器
  • ImmutableCollections（不可变集合）：每次修改返回新实例，天然线程安全（适合读多写极少场景）。
  • Channel（.NET Core+）：基于异步消息传递的高性能生产者-消费者模型。
4.2. 线程安全集合的实现原理
1. 无锁算法（Lock-Free）
  • ConcurrentQueue 和 ConcurrentStack：
    • 使用 Interlocked 原子操作（如 CompareExchange）更新头尾指针。
    • 优点：高并发下性能优异（减少上下文切换）。
    • 缺点：复杂的内存管理（ABA 问题需处理）。
2. 分片设计（Partitioning）
  • ConcurrentBag：
    • 每个线程维护自己的本地队列，减少竞争。
    • 当其他线程窃取任务时，访问其他线程的队列。
    • 适用场景：任务分配不均匀的高并发环境。
3. 细粒度锁（Fine-Grained Locking）
  • ConcurrentDictionary：
    • 哈希表按桶（Bucket）划分，每个桶独立加锁。
    • 读操作无锁（volatile 读），写操作桶锁。
    • 优化点：桶数量与并发度的平衡（默认桶数 = CPU 核数 × 2）。
4. 阻塞同步
  • BlockingCollection：
    • 封装底层集合（如 ConcurrentQueue）并提供阻塞方法（Take、Add）。
    • 使用 ManualResetEventSlim 或 SemaphoreSlim 实现等待通知机制。
4.3. 示例与性能对比
1. ConcurrentQueue 生产者-消费者模型
csharp 复制代码 
ConcurrentQueue<int> queue = new ConcurrentQueue<int>();

// 生产者
Task.Run(() => {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        queue.Enqueue(i);
    }
});

// 消费者
Task.Run(() => {
    while (queue.TryDequeue(out int item)) {
        Console.WriteLine($"处理: {item}");
    }
});
2. ConcurrentDictionary 高频计数
csharp 复制代码 
ConcurrentDictionary<string, int> wordCounts = new ConcurrentDictionary<string, int>();

Parallel.ForEach(GetTextLines(), line => {
    foreach (string word in line.Split()) {
        wordCounts.AddOrUpdate(word, 1, (key, oldValue) => oldValue + 1);
    }
});
特性 Dictionary ConcurrentDictionary
线程安全 ❌ 需要手动加锁 ✅ 内置线程安全
读性能 高 非常高（无锁读取）
写性能 高 较高（细粒度锁）
并发支持 需要同步机制 原生支持并发
内存开销 较低 稍高（维护内部结构）
1. TryAdd()
csharp 复制代码 
bool success = concurrentDict.TryAdd("task3", 25);
// 成功添加返回 true，键已存在返回 false
2. TryUpdate()
csharp 复制代码 
int currentValue;
do {
    currentValue = concurrentDict["task1"];
} while (!concurrentDict.TryUpdate("task1", currentValue + 10, currentValue));
// 原子性更新：只有当前值等于 expectedValue 时才更新
3. AddOrUpdate()
csharp 复制代码 
// 添加或更新（原子操作）
int newValue = concurrentDict.AddOrUpdate(
    "task1",
    key => 50,                // 添加时的工厂函数
    (key, oldValue) => oldValue + 10 // 更新时的函数
);
4. GetOrAdd()
csharp 复制代码 
// 获取或添加（原子操作）
int value = concurrentDict.GetOrAdd("task4", key => 0);
// 如果 task4 不存在，初始化为 0
5. TryRemove()
csharp 复制代码 
if (concurrentDict.TryRemove("task2", out int removedValue))
{
    Console.WriteLine($"已删除 task2，原值: {removedValue}");
}

优先使用原子方法

csharp 复制代码 
// ✅ 推荐
dict.AddOrUpdate(key, 1, (k, v) => v + 1);

// ❌ 避免（非原子操作）
if (dict.ContainsKey(key)) {
    dict[key] = dict[key] + 1;
}

处理工厂函数副作用

csharp 复制代码 
// 工厂函数应简单无副作用
var value = dict.GetOrAdd(key, k => {
    // 避免耗时操作
    return CalculateInitialValue(k);
});

迭代时处理并发修改

csharp 复制代码 
foreach (var pair in concurrentDict)
{
    // 注意：迭代期间字典可能被修改
    Process(pair.Value);
}

值类型注意事项

csharp 复制代码 
// 值类型更新需特殊处理
var dict = new ConcurrentDictionary<string, (int, DateTime)>();

dict.AddOrUpdate("task",
    k => (0, DateTime.UtcNow),
    (k, v) => (v.Item1 + 1, DateTime.UtcNow)
);

性能考量

  1. 读取密集型场景：性能接近无锁读取
  2. 写入密集型场景：比锁+Dictionary 性能高 2-3 倍
  3. 混合工作负载：在高并发下表现最佳
使用场景
  1. 缓存系统
  2. 实时监控/统计
  3. 并行计算中间结果
  4. 高并发计数器
  5. 任务调度系统（如所述进度监控）
总结

ConcurrentDictionary 是 .NET 中处理并发字典操作的首选方案，它：

  • 提供线程安全的原子操作
  • 比手动锁实现更高效
  • 简化多线程编程模型
  • 特别适合高频读写的场景

在任务进度监控系统中，使用 ConcurrentDictionary 可以安全高效地管理多个任务的进度状态，确保在高并发环境下数据的一致性和实时性。

CAS (Compare-And-Swap): 比较并交换。一种乐观锁技术，检查内存值是否没变，没变才更新。

自旋 (Spin): 线程不进入阻塞挂起状态，而是循环检查锁是否释放，减少上下文切换开销。

3. 性能对比（普通集合 vs 线程安全集合）
操作 List + lock ConcurrentBag 性能差异（百万次操作）
添加元素 ~1200 ms ~450 ms 2.6 倍更快
遍历元素 ~200 ms ~180 ms 接近

4.4. 线程安全集合的局限性

1.复合操作非原子性：

复制代码 
// 非原子操作：先检查是否存在，再添加
if (!concurrentDict.ContainsKey(key)) {
    concurrentDict.TryAdd(key, value); // 可能已被其他线程插入
}
  1. 解决方案 ：使用原子方法（如 GetOrAdd）。
  2. 内存开销 ：
    1. 无锁结构和分片设计会增加内存占用（如 ConcurrentBag 的线程本地存储）。
  3. 顺序性牺牲 ：
    1. ConcurrentQueue 保证先进先出，但并行消费者可能乱序处理。

4.5.如何选择线程安全集合

场景 推荐集合 理由
高频生产者-消费者（无阻塞） ConcurrentQueue 无锁设计，吞吐量高
线程本地任务缓存 ConcurrentBag 分片减少竞争，适合线程本地存储 + 全局窃取
高频键值读写 ConcurrentDictionary 细粒度锁，避免全局锁竞争
异步消息管道 Channel 零拷贝、异步友好，适合高性能 IPC
读多写少（数据几乎不变） ImmutableDictionary 无锁读，写操作返回新实例

4.6. 总结

  • 优先使用标准库集合 ：ConcurrentCollections 和 ImmutableCollections 覆盖绝大多数场景。
  • 性能关键路径：根据读写模式选择无锁或细粒度锁结构。
  • 避免重复造轮子：自定义实现需谨慎处理内存可见性、ABA 问题等底层细节。
  • 复合操作：即使集合本身线程安全，多个操作的组合仍需额外同步（如事务性操作）。

易混淆

async / await 本身不保证线程安全

这是一个非常普遍的误区。async / await 解决的是异步 问题（不阻塞当前线程），而不是同步问题（保护共享资源）。

  1. 线程切换 ：await 之后的代码可能会在不同的线程上运行（取决于 SynchronizationContext）。
  2. 并发依然存在 ：如果你在一个 async 方法里修改全局变量，而这个方法被同时调用了两次，依然会发生数据错乱。
  3. 不能在 lock 块内使用 await ：编译器不允许在 lock 块里使用 await，因为 lock 是基于线程标识的，而异步方法在 await 之后可能换了线程，导致无法释放锁。

解决方案 ：如果需要在异步环境加锁，请使用 SemaphoreSlim(1, 1)。

csharp 复制代码 
private SemaphoreSlim _semaphore = new SemaphoreSlim(1, 1);

public async Task AccessResourceAsync()
{
    await _semaphore.WaitAsync(); // 异步等待进入
    try
    {
        // 这里可以安全地执行异步操作
        await Task.Delay(100);
    }
    finally
    {
        _semaphore.Release();
    }
}

volatile

在 C# 中，volatile 是一个非常底层且容易被误导的关键字。它解决的不是"多个线程同时修改"的问题，而是解决**"内存可见性"和"指令重排"**的问题。

为什么需要 volatile？

在现代计算机架构中，为了提升性能，CPU 和编译器会对代码做两件事：

  1. 缓存变量：CPU 每一核都有自己的 L1/L2 缓存。线程 A 修改了一个变量，可能只写到了自己的缓存里，而线程 B 从主内存读到的还是旧值。
  2. 指令重排：编译器或 CPU 为了优化速度，可能会调整代码的执行顺序。

volatile 告诉编译器：不要对我做任何优化，每次读写都必须直接操作主内存（Main Memory）。

核心作用
  1. 保证可见性

当一个线程修改了 volatile 变量，其他线程能立即看到最新值。

  1. 禁止指令重排

它会在读写操作前后插入"内存屏障"（Memory Barrier），防止编译器把原本应该在它之后的指令挪到它前面。

典型场景：单标记停止（Stop Flag）

这是 volatile 最常见的用法。如果不用 volatile，线程 B 可能会因为编译器优化（认为 _stop 在循环中没变过）而永远死循环。

csharp 复制代码 
public class Worker
{
    // 必须加 volatile，确保线程 B 能看到线程 A 的修改
    private volatile bool _stop = false;

    public void Run()
    {
        // 线程 B 执行
        while (!_stop)
        {
            // 执行任务
        }
        Console.WriteLine("线程已停止");
    }

    public void RequestStop()
    {
        // 线程 A 执行
        _stop = true;
    }
}
关键区别：volatile vs lock

很多初学者会混淆两者，看下表对比：

特性 volatile lock / Interlocked
原子性 不保证（不能保证 i++ 安全） 保证原子操作
阻塞 非阻塞（无锁） 会导致线程阻塞（挂起）
开销 极低（仅禁止缓存优化） 较高（涉及线程上下文切换）
适用场景 单个简单变量的读写、状态标记 复杂的逻辑块、复合操作（如读-改-写）
volatile 的局限性

它不能替代锁。

如果你执行 volatileVariable++，这实际上包含三步：取值、加一、写回。volatile 只能保证取值和写回时内存是同步的，但在加一的过程中，如果有其他线程介入，数据依然会错乱。这种场景必须用 Interlocked.Increment 或 lock。

内存可见性 (Memory Visibility): 指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。

指令重排 (Instruction Reordering): 编译器或处理器为了提高性能，在不影响单线程执行结果的前提下，对指令执行顺序进行调整。

内存屏障 (Memory Barrier): 一种 CPU 指令，用于同步内存访问，确保屏障前后的指令不会被乱序执行。

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