.Net 中 Dictionary<int,int> 的线程安全答案

【问题标题】：Thread safety with Dictionary<int,int> in .Net.Net 中 Dictionary<int,int> 的线程安全
【发布时间】：2011-11-06 22:37:13
【问题描述】：

我有这个功能：

static Dictionary<int, int> KeyValueDictionary = new Dictionary<int, int>();
static void IncreaseValue(int keyId, int adjustment)
{
    if (!KeyValueDictionary.ContainsKey(keyId))
    {
        KeyValueDictionary.Add(keyId, 0);
    }
    KeyValueDictionary[keyId] += adjustment;
}

我原以为不会是线程安全的。但是，到目前为止，在测试它时，从多个线程同时调用它时，我没有看到任何异常。

我的问题：它是线程安全的还是到目前为止我很幸运？如果它是线程安全的，那为什么？

【问题讨论】：

正如 Herb Sutter 所说（从记忆中）：“当我们提交竞争条件时，竞争条件的典型行为是什么？它会通过单元测试和系统测试。我们有我们的发布派对。然后我们接到我们最重要的客户的电话，报告非确定性崩溃。”
@FuleSnabel：大声笑，很好。

标签： c# .net collections thread-safety

【解决方案1】：

但是，到目前为止，在测试它时，从多个线程同时调用它时，我没有看到任何异常。

它是线程安全的还是到目前为止我很幸运？如果它是线程安全的，那为什么？

你走运了。这些类型的线程错误很容易产生，因为测试会给你一种错误的安全感，认为你做的事情是正确的。

事实证明，当您有多个编写者时，Dictionary<TKey, TValue> 不是线程安全的。文档明确指出：

只要不修改集合，Dictionary<TKey, TValue> 可以同时支持多个读取器。即便如此，通过集合进行枚举本质上不是线程安全的过程。在枚举与写访问竞争的极少数情况下，必须在整个枚举期间锁定集合。 要允许集合被多个线程访问以进行读写，您必须实现自己的同步。

或者，使用ConcurrentDictionary。但是，您仍然必须编写正确的代码（参见下面的注释）。

除了您幸运地避免了Dictionary<TKey, TValue> 缺乏线程安全性之外，您的代码还存在危险的缺陷。以下是如何让您的代码出现错误：

static void IncreaseValue(int keyId, int adjustment) {
    if (!KeyValueDictionary.ContainsKey(keyId)) {
        // A
        KeyValueDictionary.Add(keyId, 0);
    }
    KeyValueDictionary[keyId] += adjustment;
}

字典为空。
线程 1 进入带有keyId = 17 的方法。由于 Dictionary 为空，if 中的条件返回true，线程1 到达标记为A 的代码行。
线程 1 暂停，线程 2 进入带有keyId = 17 的方法。由于 Dictionary 为空，if 中的条件返回true，线程2 到达标记为A 的代码行。
线程 2 暂停，线程 1 恢复。现在线程 1 将 (17, 0) 添加到字典中。
线程 1 暂停，现在线程 2 恢复。现在线程 2 尝试将 (17, 0) 添加到字典中。由于密钥冲突而引发异常。

还有其他可能发生异常的情况。例如，线程1可以在加载KeyValueDictionary[keyId]的值时暂停（比如加载keyId = 17，并获得42的值），线程2可以进来修改值（比如加载keyId = 17，添加调整27），现在线程1恢复并将其调整添加到它加载的值（特别是，它看不到线程2对与keyId = 17相关的值所做的修改！）。

请注意，即使使用ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 也可能导致上述错误！由于与Dictionary<TKey, TValue> 的线程安全或缺乏线程安全无关的原因，您的代码不安全。

要使用并发字典使您的代码成为线程安全的，您必须说：

KeyValueDictionary.AddOrUpdate(keyId, adjustment, (key, value) => value + adjustment);

这里我们使用ConcurrentDictionary.AddOrUpdate。

【讨论】：

+1：很好的答案，感谢您的努力。特别喜欢你探索为什么“线程安全”集合仍然允许“线程不安全”代码的部分。
感谢您花时间和精力整理这个答案。我最初的解决方案锁定了解决方案的全部内容，因为我不知道 ConcurrentDictionary 是一个更优雅的解决方案。

【解决方案2】：

.NET 库有一个线程安全字典，ConcurrentDictionary<TKey, TValue> http://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd287191.aspx

更新：我没有完全回答这个问题，所以这里更新了对所提出的确切问题的更多回答。根据 MSDN：http://msdn.microsoft.com/en-us/library/xfhwa508.aspx

一个字典可以同时支持多个阅读器，只要集合没有被修改。即便如此，列举通过集合本质上不是线程安全的过程。在枚举与写访问竞争的罕见情况，在整个枚举过程中必须锁定集合。为了让集合被多个线程访问以进行读取和写入，您必须实现自己的同步。

有关线程安全的替代方案，请参阅 ConcurrentDictionary。

这种类型的公共静态（在 Visual Basic 中为共享）成员是线程安全。

【讨论】：

这是危险的误导。即使将 OP 代码中的字典替换为 ConcurrentDictionary，代码仍然不安全。

【解决方案3】：

到目前为止，你很幸运。它不是线程安全的。

来自the Dictionary<K,V> documentation...

一个Dictionary<TKey, TValue>可以支持多个阅读器同时，只要集合没有被修改。即使是这样，通过集合枚举本质上不是线程安全的程序。在枚举与写入竞争的极少数情况下访问时，必须在整个枚举期间锁定集合。允许集合被多个线程访问以进行读取和写作，你必须实现自己的同步。

【讨论】：

【解决方案4】：

它不是线程安全的，但不会检查，因此可能不会注意到静默损坏。

它在很长一段时间内看起来都是线程安全的，因为只有当它需要 rehash() 时它才有可能出现异常。否则，它只会损坏数据。

【讨论】：