C# 数组增加元素_一起读源码走进C#并发队列的内部世界

(给DotNet加星标，提升.Net技能)

转自：balahoho cnblogs.com/hohoa/p/12622459.html

前言

决定从这篇文章开始，开一个读源码系列，不限制平台语言或工具，任何自己感兴趣的都会写。前几天碰到一个小问题又读了一遍ConcurrentQueue的源码，那就拿C#中比较常用的并发队列ConcurrentQueue作为开篇来聊一聊它的实现原理。

话不多说，直奔主题。

要提前说明下的是，本文解析的源码是基于.NET Framework 4.8版本，地址是：https://referencesource.microsoft.com/#mscorlib/system/Collections/Concurrent/ConcurrentQueue.cs

本来是打算用.NET Core版本的，但是找了一下竟然没找到：https://github.com/dotnet/runtime/tree/master/src/libraries/System.Collections.Concurrent/src/System/Collections/Concurrent

不知道是我找错位置了还是咋回事，有知道的大佬告知一下。

不过我觉得实现原理应该类似吧，后面找到了我对比一下，不同的话再写一篇来分析。

带着问题出发

如果是自己实现一个简单的队列功能，我们该如何设计它的存储结构呢？一般来说有这两种方式：数组或者链表，先来简单分析下。

我们都知道，数组是固定空间的集合，意味着初始化的时候要指定数组大小，但是队列的长度是随时变化的，超出数组大小了怎么办？这时候就必须要对数组进行扩容。问题又来了，扩容要扩多少呢，少了不够用多了浪费内存空间。与之相反的，链表是动态空间类型的数据结构，元素之间通过指针相连，不需要提前分配空间，需要多少分配多少。但随之而来的问题是，大量的出队入队操作伴随着大量对象的创建销毁，GC的压力又变得非常大。

事实上，在C#的普通队列Queue类型中选择使用数组进行实现，它实现了一套扩容机制，这里不再详细描述，有兴趣的直接看源码，比较简单。

回到主题，要实现一个高性能的线程安全队列，我们试着回答以下问题：

• 存储结构是怎样的

• 如何初始化(初始容量给多少比较好？)

• 常用操作(入队出队)如何实现

• 线程安全是如何保证的

存储结构

通过源码可以看到ConcurrentQueue采用了数组+链表的组合模式，充分吸收了2种结构的优点。

具体来说，它的总体结构是一个链表，链表的每个节点是一个包含数组的特殊对象，我们称之为Segment(段或节，原话是a queue is a linked list of small arrays, each node is called a segment.)，它里面的数组是存储真实数据的地方，容量固定大小是32，每一个Segment有指向下一个Segment的的指针，以此形成链表结构。

而队列中维护了2个特殊的指针，他们分别指向队列的首段(head segment)和尾段(tail segment)，他们对入队和出队有着重要的作用。

用一张图来解释队列的内部结构：

嗯，画图画到这里突然联想到，搞成双向链表的话是不是就神似B+树的叶子节点？技术就是这么奇妙~

段的核心定义为：

/// 

队列的核心定义为：

/// 

常规操作

先从初始化一个队列开始看起。

创建队列实例

与普通Queue不同的是，ConcurrentQueue不再支持初始化时指定队列大小(capacity)，仅仅提供一个无参构造函数和一个IEnumerable参数的构造函数。

/// 

无参构造函数很简单，创建了一个Segment实例并把首尾指针都指向它，此时队列只包含一个Segment，它的索引是0，队列容量是32。

继续看一下Segment是如何被初始化的：

/// 

Segment只提供了一个构造函数，接受的参数分别是队列索引和队列实例，它创建了一个长度为32的数组，并创建了与之对应的状态数组，然后初始化了位置指针(m_low=0，m_high=-1，此时表示一个空的Segment)。到这里，一个并发队列就创建好了。

使用集合创建队列的过程和上面类似，只是多了两个步骤：入队和扩容，下面会重点描述这两部分所以这里不再过多介绍。

元素入队

先亮出源码：

/// 

通过源码可以看到，入队操作是在队尾(m_tail)进行的，它尝试在最后一个Segment中追加指定的元素，如果成功了就直接返回，失败的话就自旋等待，直到成功为止。那什么情况下会失败呢？这就要继续看看是如何追加元素的：

internal bool TryAppend(T value){

所以，只有当尾段m_tail装满的情况下追加元素才会失败，这时候必须要等待下一个段产生，也就是扩容(细细品一下Grow这个词真的很妙)，自旋就是在等扩容完成才能有地方放数据。而在保存数据的时候，通过原子自增操作保证了同一个位置只会有一个数据被写入，从而实现了线程安全。

注意：这里的装满并不是指数组每个位置都有数据，而是指最后一个位置已被使用。

继续看一下扩容是怎么一个过程：

/// 

在普通队列中，扩容是通过创建一个更大的数组然后把数据拷贝过去实现扩容的，这个操作比较耗时。

而在并发队列中就非常简单了，首先创建一个新Segment，然后把当前Segment的next指向它，最后挂到队列的末尾去就可以了，全部是指针操作非常高效。

而且从代码注释中可以看到，这里不会出现线程竞争的情况，因为其他线程都因为位置不够被阻塞都在自旋等待中。

元素出队

还是先亮出源码：

public bool TryDequeue(out T result){

可以看到只有在队列不为空(IsEmpty==false)的情况下才会尝试出队操作，而出队是在首段上进行操作的。关于如何判断队列是否为空总结就一句话：当首段m_head不包含任何数据且没有下一段的时候队列才为空，详细的判断过程源码注释中写的很清楚，限于篇幅不详细介绍。

出队的本质是从首段中移除低位指针所指向的元素，看一下具体实现步骤：

internal bool TryRemove(out T result){

首先，只有当前Segment不为空的情况下才尝试移除元素，否则就直接返回false。然后通过一个原子操作Interlocked.CompareExchange判断当前低位指针上是否有其他线程同时也在移除，如果有那就进入自旋等待，没有的话就从这个位置取出元素并把低位指针往前推进一位。

如果当前队列没有正在进行截取快照的操作，那取出元素后还要把这个位置给释放掉。当这个Segment的所有元素都被移除掉了，这时候要把它丢弃，简单来说就是让队列的首段指针指向它的下一段即可，丢弃的这一段等着GC来收拾它。

这里稍微提一下Interlocked.CompareExchange，它的意思是比较和交换，也就是更为大家所熟悉的CAS(Compare-and-Swap)，它主要做了以下2件事情：

• 比较m_low和lowLocal的值是否相等

• 如果相等则m_low=lowLocal+1，如果不相等就什么都不做，不管是否相等，始终返回m_low的原始值

整个操作是原子性的，对CPU而言就是一条指令，这样就可以保证当前位置只有一个线程执行出队操作。

还有一个TryPeek()方法和出队类似，它是从队首获取一个元素但是无需移除该元素，可以看做Dequeue的简化版，不再详细介绍。

获取队列中元素的数量

与普通Queue不同的是，ConcurrentQueue并没有维护一个表示队列中元素个数的计数器，那就意味着要得到这个数量必须实时去计算。我们看一下计算过程：

public 

大致思路是，先计算(GetHeadTailPositions)出首段的低位指针和尾段的高位指针，这中间的总长度就是我们要的数量，然后分成3节依次累加每一个Segment包含的元素个数得到最终的队列长度，可以看到这是一个开销比较大的操作。

正因为如此，微软官方推荐使用IsEmpty属性来判断队列是否为空，而不是使用队列长度Count==0来判断，使用ConcurrentStack也是一样。

截取快照(take snapshot)

所谓的take snapshot就是指一些格式转换的操作，例如ToArray()、ToList()、GetEnumerator()这种类型的方法。

在前面队列的核心定义中我们提到有一个m_numSnapshotTakers字段，这时候就派上用场了。下面以比较典型的ToList()源码举例说明：

private 

可以看到，ToList的逻辑和Count非常相似，都是先计算出两个首尾位置指针，然后把队列分为3节依次遍历处理，最大的不同之处在于方法的开头和结尾分别对m_numSnapshotTakers做了一个原子操作。

在方法的第一行，使用Interlocked.Increment做了一次递增，这时候表示队列正在进行一次截取快照操作，在处理完后又在finally中用Interlocked.Decrement做了一次递减表示当前操作已完成，这样确保了在进行快照时不被出队影响。感觉这块很难描述的特别好，所以保留了原始的英文注释，大家慢慢体会。

到这里，基本把ConcurrentQueue的核心说清楚了。

总结一下

回到文章开头提出的几个问题，现在应该有了很清晰的答案：

• 存储结构 -- 采用数组和链表的组合形式

• 如何初始化 -- 创建固定大小的段，无需指定初始容量

• 常用操作如何实现 -- 尾段入队，首段出队

• 线程安全问题 -- 使用SpinWait自旋等待和原子操作实现

以上所述均是个人理解，如果有错误的地方还请不吝指正，以免误导他人。

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