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C#开发基础之单例模式下的集合数据，解决并发访问读写冲突的问题

article 2024/11/13 14:02:55

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1. 前言

在C#中，使用单例模式管理集合数据时，如果多线程同时访问集合，容易产生并发访问的读写冲突问题。单例模式下集合数据的并发访问读写冲突是如何产生的？

单例模式确保一个类在整个应用运行期间只有一个实例，这使得单例对象成为全局共享的资源。当这个单例对象包含集合数据（如List、Dictionary等），并且这些集合数据被多个线程同时访问时，就可能产生并发读写冲突。

2. 并发读写冲突

并发读写冲突通常发生在以下几种情况：

写-写冲突：两个或多个线程同时尝试修改集合中的数据。例如，一个线程正在向集合中添加元素，而另一个线程试图删除元素，或者两个线程同时添加元素，可能导致元素丢失、重复或破坏集合的内部结构。
读-写冲突：一个线程正在读取集合中的数据，而另一个线程同时修改集合（如添加、删除或更新元素）。这可能导致读取线程看到不一致的数据状态，即所谓的“脏读”。
复合操作的不完整性：当一个操作需要多个步骤完成（如先检查元素是否存在再删除），如果在这过程中被其他线程打断，可能导致不符合预期的结果。
在单例模式下，如果没有适当的并发控制措施（如锁、同步块、线程安全集合等），这些问题就会变得尤为突出，因为所有对集合的操作都集中在一个共享实例上。

3. 解决策略

为了避免这些问题，可以采取以下几种策略：

使用锁：在访问集合的读写操作前后加锁，确保同一时间只有一个线程能访问集合。这可以是传统的锁机制，如C#中的lock语句关键字。
使用线程安全的集合：许多编程语言提供了专为并发访问设计的线程安全集合，如C#中的ConcurrentDictionary等，这些集合内部实现了必要的同步机制。
不可变集合：使用不可变集合可以在一定程度上避免写冲突，因为一旦创建，集合就不能被改变，只能通过操作返回新的集合实例。但这通常适用于读多写少的场景。
副本和快照：在需要修改集合时，先创建集合的一个副本，然后在副本上操作，最后替换原集合。这种方式减少了锁的范围和时间，但可能增加内存开销。

4. 编码实践

1. 使用lock关键字

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可以使用 lock 关键字来同步对集合的访问。lock 能确保在同一时刻只有一个线程能够访问被锁定的代码块，从而避免并发冲突。

public sealed class Singleton
{
    private static readonly Singleton instance = new Singleton();
    private List<int> data = new List<int>();
    private static readonly object lockObject = new object();

    private Singleton() {}

    public static Singleton Instance
    {
        get { return instance; }
    }

    public void AddData(int value)
    {
        lock (lockObject)
        {
            data.Add(value);
        }
    }

    public List<int> GetData()
    {
        lock (lockObject)
        {
            // 返回副本，防止外部修改原始数据
            return new List<int>(data);
        }
    }
}

2. 使用ConcurrentDictionary或ConcurrentBag

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.NET 提供了一些线程安全的集合类，如 ConcurrentDictionary 和 ConcurrentBag。这些集合类内置了线程同步机制，可以直接使用。

public sealed class Singleton
{
    private static readonly Singleton instance = new Singleton();
    private ConcurrentBag<int> data = new ConcurrentBag<int>();

    private Singleton() {}

    public static Singleton Instance
    {
        get { return instance; }
    }

    public void AddData(int value)
    {
        data.Add(value);
    }

    public List<int> GetData()
    {
        return data.ToList();
    }
}

3. 使用ReaderWriterLockSlim

在这里插入图片描述

ReaderWriterLockSlim 允许多个线程同时读取，但写操作是独占的。这种锁非常适合读多写少的场景。

public sealed class Singleton
{
    private static readonly Singleton instance = new Singleton();
    private List<int> data = new List<int>();
    private static readonly ReaderWriterLockSlim lockSlim = new ReaderWriterLockSlim();

    private Singleton() {}

    public static Singleton Instance
    {
        get { return instance; }
    }

    public void AddData(int value)
    {
        lockSlim.EnterWriteLock();
        try
        {
            data.Add(value);
        }
        finally
        {
            lockSlim.ExitWriteLock();
        }
    }

    public List<int> GetData()
    {
        lockSlim.EnterReadLock();
        try
        {
            return new List<int>(data);
        }
        finally
        {
            lockSlim.ExitReadLock();
        }
    }
}

4. 使用ImmutableCollection

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ImmutableCollection 提供了线程安全的集合操作。集合的每次修改都会创建一个新的集合，原有集合保持不变。

public sealed class Singleton
{
    private static readonly Singleton instance = new Singleton();
    private ImmutableList<int> data = ImmutableList<int>.Empty;
    private static readonly object lockObject = new object();

    private Singleton() {}

    public static Singleton Instance
    {
        get { return instance; }
    }

    public void AddData(int value)
    {
        lock (lockObject)
        {
            data = data.Add(value);
        }
    }

    public ImmutableList<int> GetData()
    {
        // 不需要锁，因为 ImmutableList 是不可变的
        return data;
    }
}

5. 总结

以上几种方法可以有效解决单例模式下集合数据的并发访问问题。具体选择哪种方法取决于你的应用场景和性能需求。如果写操作较少，读操作较多，可以选择 ReaderWriterLockSlim 或 ImmutableCollection。如果需要较高的写性能，可以考虑使用 ConcurrentDictionary 或 ConcurrentBag。

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