Thread-safe структуры данных .NET 4 (ч. 1)

.NET 4 содержит богатый набор средств, упрощающих распараллеливание кода. Если мы начинаем обрабатывать некоторый набор данных одновременно в нескольких потоках, то автоматически поднимается вопрос о синхронизации выполнения этих потоков, в частности о том, где хранить результаты обработки. Существует достаточно способов координировать потоки между собой, и всегда можно реализовать любой из них. Но создатели Parallel Extensions уже позаботились об этом, и в состав .NET 4 был включен ряд "потокобезопасных" структур данных. Реализован набор наиболее популярных коллекций, с которыми я и предлагаю ознакомиться.


1. Очередь: ConcurrentQueue<T>
Этот класс представляет собой классическую очередь, работающую по принципу FIFO, с той лишь разницей, что к ней возможен безопасный доступ со стороны нескольких потоков. Новой "параллельной" природе соответствует и набор методов - получение элемента производится посредством вызова Try*:

ConcurrentQueue<int> queue = new ConcurrentQueue<int>();

queue.Enqueue(10);



int t;

Console.WriteLine(queue.TryPeek(out t));

Console.WriteLine(queue.TryDequeue(out t));

Как можно догадаться по названию, отличаются эти вызовы тем, что TryPeek() оставляет элемент в очереди, а TryDequeue() извлекает его. Оба метода возвращают false если элемент получить не удалось, иначе - true. Добавление элемента производится с помощью метода Enqueue() - здесь ничего особенного нет. С помощью свойств Count и IsEmpty можно узнать количество элементов в очереди, и есть ли они вообще.


2. Стек: ConcurrentStack<T>
Здесь дело обстоит точно так же, как и с очередью - имеем дело с обычным стеком, но наделенным возможностью конкурентного доступа. Кроме принципа LIFO, использующегося в стеке, отличительной чертой его является возможность добавления и извлечения нескольких элементов:

ConcurrentStack<int> stack = new ConcurrentStack<int>();

stack.Push(10);

stack.PushRange(new int[] { 1, 2, 3, 4, 5 });

int t;

if (stack.TryPop(out t))

{

    Console.WriteLine("Pop: " + t);

}

if (stack.TryPeek(out t))

{

    Console.WriteLine("Peek: " + t);

}

int[] ts = new int[5];

int count;

if ((count = stack.TryPopRange(ts, 0, 3)) > 0)

{

    Console.WriteLine("PopRange");

    for (int i = 0; i < count; i++)

    {

        Console.WriteLine(ts[i]);

    }

}

Вот результат работы этого участка кода:

Методы TryPeek() и TryPop() возвращают bool значения, а TryPopRange() - количество извлеченных элементов. Можно положить в стек сразу несколько элементов посредством вызова PushRange().


3. Коллекция: ConcurrentBag<T>
Представляет собой неупорядоченное хранилище данных, и этим похоже на множество, хотя отличается от него тем, что может хранить дублирующиеся элементы. В отличие от предыдущих структур не гарантируется какой-либо порядок извлечения элементов. Это, наверное, самая простая коллекция из всего набора:

ConcurrentBag<int> bag = new ConcurrentBag<int>(new int[] { 1, 1, 2, 3 });

bag.Add(70); 



int t;

bag.TryPeek(out t);

Console.WriteLine(t); 



bag.Add(110); 

Console.WriteLine();

for (int i = 0; i < 3; i++)

{

    bag.TryTake(out t);

    Console.WriteLine(t);

}

Этот кусочек кода даст следующий вывод на консоль:

Глядя на результат, может сложиться ощущение, что коллекция следует принципу LIFO. Ещё раз подчеркну, что это не гарантируется. Никакого определённого порядка. Обратите внимание на конструктор - есть возможность задать начальный набор элементов. То же самое можно сделать при создании очереди и стека.


4. Словарь: ConcurrentDictionary<TKey, TValue>
И здесь просматриваются черты "старого знакомого" - да, это реализация привычного Dictionary<TKey, TValue>, но с возможностью конкурентного доступа. Разумеется, наделение такими способностями не прошло даром - немного изменился привычный набор методов. Давайте его рассмотрим, для этого создадим коллекцию:

ConcurrentDictionary<string, string> 

dict = new ConcurrentDictionary<string, string>();

dict.TryAdd("name", "OFC340");

dict.TryAdd("age", "25");dict.TryAdd("age", "25");

Работа по добавлению/изменению/удалению элементов производится с помощью методов Try*, которые вернут true, если действие выполнено прошла успешно, иначе false. В данном случае добавление значения с ключом "age" будет в первый раз успешно, а во второй - нет, при этом никаких исключений сгенерировано не будет. Например, попытка получить значение по ключу, которого нет в словаре:

string t = string.Empty;

Console.WriteLine(dict.TryGetValue("nokey", out t));

приведет лишь к выводу на консоль строки "False". Удаление элемента будет выглядеть так:

Console.WriteLine(dict.TryRemove("age", out t));

С помощью свойств Values и Keys можно получить актуальные на момент вызова коллекции ключей и значений словаря. На этом вся специфика "потокобезопасной" версии заканчивается.

Как видите, в реализации рассмотренных нами коллекций нет никакой "мега"-функциональности, только необходимые вещи. Мне нравятся такие решения - когда строятся базовые структуры, нагромождение лишних возможностей лишь мешает. В случае необходимости всегда можно дополнить их нужным поведением.

Кроме указанных, в текущей версии .NET beta 1 есть двусвязный список ConcurrentLinkedList<T>. Однако, я не буду на нём останавливаться, поскольку в MSDN нас заботливо предупредили: "ConcurrentLinkedList(of T) is planned to be removed prior to the final release of Visual Studio 2010. Please do not use this class", т.е. этот список будет исключен и в финальной версии .NET 4.0 его не будет. Поэтому тратить время на его рассмотрение не стоит (хотя, смотреть там особо нечего - "конкурентная" версия известного LinkedList<T>).

Представленные выше 4 структуры данных - самые простые, и на них я завершу первую часть обзора. Во второй части речь пойдёт о более интересном хранилище - BlockingCollection<T>.