在 .Net 中使用 Dictionary<int,int> 时如何保证线程安全性

Question

我有这个函数：

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;
}

我本来认为这不是线程安全的。然而，到目前为止，在多个线程同时调用它时，我没有看到任何异常。

我的问题是：它是线程安全的还是我到目前为止只是幸运？如果它是线程安全的，那么原因是什么？

- Guy

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正如Herb Sutter所说（从记忆中得知）：“当我们犯下竞态条件时，它的典型行为是什么？它会在单元测试和系统测试中悄悄溜过去。我们举办发布派对。然后我们接到最重要的客户电话，报告非确定性崩溃。” - Just another metaprogrammer

@FuleSnabel：哈哈，好笑。 - squashed.bugaboo

Answer 1

你运气不错。由于测试可能会让你产生错误的安全感，所以这种线程错误很容易出现。事实证明，在有多个编写器时，Dictionary<TKey, TValue> 不是线程安全的。文档明确说明:

“只要没有修改集合，Dictionary<TKey, TValue> 即可支持多个读者并发。即使如此，枚举一个集合从本质上来说也不是线程安全的过程。在一个枚举与写访问相互竞争的罕见情况下，必须在整个枚举过程中锁定集合。为了允许多个线程读取和写入集合，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（请参阅下面的注释）。

除了你现在幸运避免的Dictionary<TKey, TValue>的缺乏线程安全性外，你的代码存在严重缺陷。以下是你可能会遇到的代码bug:

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

1. 字典为空。
2. 线程1使用 keyId = 17 进入该方法。由于字典为空，if 中的条件返回 true，线程1到达标有A的代码行。
3. 线程1暂停，线程2使用 keyId = 17 进入该方法。由于字典为空，if 中的条件返回 true，线程2到达标有A的代码行。
4. 线程2暂停，线程1恢复。现在线程1将 (17, 0) 添加到字典中。
5. 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。由于键冲突而抛出异常。

还有其他情况可能会导致异常发生。例如，当线程1正在加载 KeyValueDictionary[keyId] 的值（假设它加载了 keyId = 17 并获得了值 42）时，线程2可能会进来并修改该值（假设它加载了 keyId = 17，并添加了调整值27），现在线程1恢复并将其调整值添加到加载的值中（特别是，它没有看到线程2对与 keyId = 17 关联的值所做的修改！）。

请注意，即使使用 ConcurrentDictionary<TKey, TValue> 也可能导致上述错误！您的代码存在与 Dictionary<TKey, TValue> 的线程安全或不安全无关的原因，而不是线程安全问题。

要使代码在使用并发字典时具有线程安全性，需要进行以下更改：

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

在这里，我们使用的是ConcurrentDictionary.AddOrUpdate方法。

- jason

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+1：好的回答，感谢你付出的努力。特别喜欢你探讨“线程安全”集合为什么仍然允许“线程不安全”代码的部分。 - Just another metaprogrammer

感谢您花费时间和精力撰写答案。我的原始解决方案在整个解决方案的内容周围放置了锁，因为我不知道ConcurrentDictionary，这是一个更加优雅的解决方案。 - Guy

Answer 2

这段代码不是线程安全的，但它并没有进行检查，因此可能无法注意到静默损坏。

它在很长一段时间内似乎是线程安全的，因为只有当需要重新哈希（rehash()）时，才会出现异常的可能性。否则，它只会破坏数据。

- Joshua

Answer 3

.NET库中有一个线程安全的字典，即ConcurrentDictionary<TKey, TValue>。详情请见http://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd287191.aspx。

更新：之前没有准确回答问题，以下是更全面的回答。根据MSDN的说明：http://msdn.microsoft.com/en-us/library/xfhwa508.aspx

一个字典可以支持多个读取器并发操作，只要集合没有被修改。即使如此，在枚举集合时本质上不是线程安全的过程。在罕见的情况下，当一个枚举正在与写入访问竞争时，整个枚举期间必须锁定集合。为了允许多个线程同时对集合进行读写访问，您必须实现自己的同步机制。

如果需要线程安全的替代方案，请参考ConcurrentDictionary。

此类型的公共静态成员（在Visual Basic中为Shared）是线程安全的。

- QuinnG

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这是极具误导性的。即使将 OP 代码中的字典替换为“ConcurrentDictionary”，该代码仍然是不安全的。 - Konrad Rudolph

Answer 4

你到目前为止只是运气好而已，它不是线程安全的。

从《Dictionary<K,V>》文档中可以看出...

Dictionary<TKey, TValue>支持多个读取器并发访问，只要该集合未被修改。即使如此，枚举集合固有地不是线程安全的过程。在罕见的情况下，遍历与写访问竞争时，必须在整个枚举期间锁定集合。为了允许多个线程对集合进行读取和写入访问，您必须实现自己的同步。

- LukeH