探索 .NET 8 的 Frozen Collections：高效、线程安全的集合新特性详解

1. 简介

.NET 8 引入了一个新的集合类型系列，称为 Frozen Collections。这些集合的设计目标是优化读取性能，并在构建后确保不可变性，从而提供线程安全的集合操作。Frozen Collections 的推出是为了满足高性能应用程序对稳定和高效数据结构的需求。

2. 什么是 Frozen Collections?

Frozen Collections 是一种特殊的集合类型，在构建后变为只读状态。这意味着一旦集合被“冻结”（即构建完成后），其内容就无法再修改。这些集合的主要目标是提供更好的读取性能和线程安全性。

3. Frozen Collections 的主要优点

• 性能: 由于 Frozen Collections 在冻结后不再发生变化，因此可以进行多种优化，例如预计算哈希码和索引，这些优化大幅提高了读取速度。
• 可预测的行为: 因为这些集合一旦构建便不可更改，所以它们的行为是完全可预测的。不会因为并发修改导致数据不一致的问题。
• 简化代码: 使用不可变集合可以减少锁和同步机制的使用，简化多线程环境下的代码逻辑。

4. Frozen Collections 的常用类型及其作用

Frozen Collections 提供了多种常用集合类型，包括：

• FrozenList: 对应于 List，在冻结后提供高效的只读列表访问。
• FrozenSet: 对应于 HashSet，在冻结后提供高效的集合操作，如快速查找。
• FrozenDictionary<TKey, TValue>: 对应于 Dictionary<TKey, TValue>，在冻结后提供高效的键值对查找。

使用场景

• FrozenList: 适用于需要高频读取操作但不再需要修改的列表数据场景，例如配置列表、预定义的常量数据等。
• FrozenSet: 适用于需要快速查找和唯一性保证的场景，如关键词过滤、白名单/黑名单等。
• FrozenDictionary<TKey, TValue>: 适用于需要快速键值对查找且不再修改的场景，如配置字典、元数据存储等。

5. Frozen Collections 对比普通的 Collection 的区别

• 不可变性: 普通集合如 List、HashSet 和 Dictionary<TKey, TValue> 是可变的，允许添加、删除和修改元素。而 Frozen Collections 在冻结后不可变。
• 线程安全: Frozen Collections 在构建后是线程安全的，因为它们的内容不可更改，避免了并发修改带来的数据一致性问题。而普通集合需要额外的同步机制来保证线程安全。
• 性能优化: Frozen Collections 可以预先计算并缓存一些中间结果，如哈希码和索引，加快读取速度。普通集合在每次访问时都需要重新计算这些结果。

6. 详细案例：在 .NET 8 中使用 Frozen Collections

以下是一个使用 FrozenDictionary 的示例，展示其线程安全特性：

usingSystem.Collections.Frozen;usingSystem.Collections.Generic;classProgram{staticvoidMain(){// 创建并初始化普通的字典var mutableDict =newDictionary<int,string>{{1,"one"},{2,"two"},{3,"three"}};// 将普通字典转换为冻结字典var frozenDict = mutableDict.ToFrozenDictionary();// 读取操作（高效且线程安全）if(frozenDict.TryGetValue(2,outvarvalue)){
            Console.WriteLine(value);// 输出: two}// 下面的代码将无法编译，因为 FrozenDictionary 不允许修改// frozenDict[4] = "four"; // 编译错误// 在多线程环境下安全读取
        Parallel.For(0,10, i =>{
           Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},{frozenDict[1]}");// 输出: one});}}

案例分析

运行结果

这个时候，你可能会有一个疑问：这里是怎么体现线程安全的？mutableDict也能正常输出呀？

Parallel.For(0,10, i =>{
  Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},{frozenDict[1]}");// 输出: one}); 
Parallel.For(0,10, i =>{
  Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},{mutableDict[1]}");// 输出: one});

其实无论是使用 frozenDict 还是 mutableDict，都能够在多线程环境下正常输出。这是因为读取操作本身是线程安全的。问题的关键在于，普通集合和 Frozen Collections 的区别更多体现在修改操作和整体设计上的保证，而不是简单的读取操作。让我们更详细地讨论这个问题。

线程安全性解析

1. 普通集合的读取操作

在大多数情况下，普通集合（如 Dictionary<TKey, TValue>）的读取操作是线程安全的，因为读取操作本身不修改集合的内部状态。然而，如果在一个线程中读取的同时，另一个线程在修改集合，这可能会导致不可预测的行为和潜在的数据竞争问题。

var mutableDict =newDictionary<int,string>{{1,"one"},{2,"two"},{3,"three"}};

Parallel.For(0,10, i =>{
    Console.WriteLine(mutableDict[1]);// 通常情况下，这里不会出问题});// 但是，如果有另一个线程在修改 mutableDict，可能会导致意外的行为

2. Frozen Collections 的读取操作

Frozen Collections（如 FrozenDictionary<TKey, TValue>）在构建后变为不可变，因此可以保证在任何线程中读取都是安全的，而无需担心其他线程可能进行的并发修改。

var frozenDict =newDictionary<int,string>{{1,"one"},{2,"two"},{3,"three"}}.ToFrozenDictionary();

Parallel.For(0,10, i =>{
     Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},{frozenDict[1]}");// 这里可以保证线程安全，因为 frozenDict 不可变});

3. Frozen Collections的线程安全性

Frozen Collections 的线程安全性不仅体现在读取操作上，更体现在整体设计和使用场景上：

• 不可变性: 冻结集合一旦构建，就不能再被修改。没有任何线程可以更改集合的内容，从根本上消除了数据竞争的可能性。
• 一致性: 由于没有任何修改操作，读取操作总是返回一致的结果，保证了数据的一致性和可预测性。

4. 普通集合的线程安全问题

虽然读取操作本身是线程安全的，但在多线程环境中使用普通集合时，如果有任何写操作，就需要额外的同步机制来保证线程安全。

var mutableDict =newDictionary<int,string>{{1,"one"},{2,"two"},{3,"three"}};// 假设我们有一个写操作的线程
Task.Run(()=>{
    mutableDict[4]="four";});

Parallel.For(0,10, i =>{lock(mutableDict){
        Console.WriteLine(mutableDict[1]);}});// 这里需要使用锁来保证线程安全，否则可能会出现不可预测的行为

Frozen Collections 提供了一种高效且线程安全的集合类型，通过不可变性保证了在多线程环境中的数据一致性和可预测性。虽然普通集合的读取操作本身是线程安全的，但当涉及到并发修改时，需要额外的同步机制来保证线程安全。而 Frozen Collections 则通过设计上的不可变性，从根本上消除了这些问题，为高性能和高可靠性应用提供了一种理想的解决方案。

7. 结论

Frozen Collections 是 .NET 8 中引入的一项重要特性，通过提供不可变的集合类型来提高性能、简化代码并确保线程安全。它们特别适用于需要频繁读取而不再修改的数据场景。在多线程应用程序中，Frozen Collections 可以大幅减少锁和同步的使用，提供一种高效且简洁的解决方案。

8.参考来源

System.Collections.Frozen 命名空间