C# 中 ConcurrentDictionary 一定线程安全吗？

根据 .NET 官方文档的定义：ConcurrentDictionary<TKey,TValue> Class 表示可由多个线程同时访问的线程安全的键/值对集合。这也是我们在并发任务中比较常用的一个类型，但它真的是绝对线程安全的吗？

仔细阅读官方文档，我们会发现在文档的底部线程安全性小节里这样描述：

ConcurrentDictionary<TKey,TValue> 的所有公共和受保护的成员都是线程安全的，可从多个线程并发使用。但是，通过一个由 ConcurrentDictionary<TKey,TValue> 实现的接口的成员（包括扩展方法）访问时，不保证其线程安全性，并且可能需要由调用方进行同步。

也就是说，调用 ConcurrentDictionary 本身的方法和属性可以保证都是线程安全的。但是由于 ConcurrentDictionary 实现了一些接口（例如 ICollection、IEnumerable 和 IDictionary 等），使用这些接口的成员（或者这些接口的扩展方法）不能保证其线程安全性。System.Linq.Enumerable.ToList 方法就是其中的一个例子，该方法是 IEnumerable 的一个扩展方法，在 ConcurrentDictionary 实例上使用该方法，当它被其它线程改变时可能抛出 System.ArgumentException 异常。下面是一个简单的示例：

static void Main(string[] args)
{
    var cd = new ConcurrentDictionary<int, int>();
    Task.Run(() =>
    {
        var random = new Random();
        while (true)
        {
            var value = random.Next(10000);
            cd.AddOrUpdate(value, value, (key, oldValue) => value);
        }
    });

    while (true)
    {
        cd.ToList(); //调用 System.Linq.Enumerable.ToList，抛出 System.ArgumentException 异常
    }
}

System.Linq.Enumerable.ToList 扩展方法：

System.Linq.Enumerable.ToList

发生异常是因为扩展方法 ToList 中调用了 List 的构造函数，该构造函数接收一个 IEnumerable<T> 类型的参数，且该构造函数中有一个对 ICollection<T> 的优化（由 ConcurrentDictionary 实现的）。

System.Collections.Generic.List<T> 构造函数：

System.Collections.Generic.List

在 List 的构造函数中，首先通过调用 Count 获取字典的大小，然后以该大小初始化数组，最后调用 CopyTo 将所有 KeyValuePair 项从字典复制到该数组。因为字典是可以由多个线程改变的，在调用 Count 后且调用 CopyTo 前，字典的大小可以增加或者减少。当 ConcurrentDictionary 试图访问数组超出其边界时，将引发 ArgumentException 异常。

ConcurrentDictionary<TKey,TValue> 中实现的 ICollection.CopyTo 方法： ConcurrentDictionary-CopyTo-ArgumentException

如果您只需要一个包含字典所有项的单独集合，可以通过调用 ConcurrentDictionary.ToArray 方法来避免此异常。它完成类似的操作，但是操作之前先获取了字典的所有内部锁，保证了线程安全性。

ConcurrentDictionary-ToArray

注意，不要将此方法与 System.Linq.Enumerable.ToArray 扩展方法混淆，调用 Enumerable.ToArray 像 Enumerable.ToList 一样，可能引发 System.ArgumentException 异常。

看下面的代码中：

static void Main(string[] args)
{
    var cd = new ConcurrentDictionary<int, int>();
    Task.Run(() =>
    {
        var random = new Random();
        while (true)
        {
            var value = random.Next(10000);
            cd.AddOrUpdate(value, value, (key, oldValue) => value);
        }
    });

    while (true)
    {
        cd.ToArray(); //ConcurrentDictionary.ToArray, OK.
    }
}

此时调用 ConcurrentDictionary.ToArray，而不是调用 Enumerable.ToArray，因为后者是一个扩展方法，前者重载解析的优先级高于后者。所以这段代码不会抛出异常。

但是，如果通过字典实现的接口（继承自 IEnumerable）使用字典，将会调用 Enumerable.ToArray 方法并抛出异常。例如，下面的代码显式地将 ConcurrentDictionary 实例分配给一个 IDictionary 变量：

static void Main(string[] args)
{
    System.Collections.Generic.IDictionary<int, int> cd = new ConcurrentDictionary<int, int>();
    Task.Run(() =>
    {
        var random = new Random();
        while (true)
        {
            var value = random.Next(10000);
            cd[value] = value;
        }
    });

    while (true)
    {
        cd.ToArray(); //调用 System.Linq.Enumerable.ToArray，抛出 System.ArgumentException 异常
    }
}

此时调用 Enumerable.ToArray，就像调用 Enumerable.ToList 时一样，引发了 System.ArgumentException 异常。

总结

正如官方文档上所说的那样，ConcurrentDictionary 的所有公共和受保护的成员都是线程安全的，可从多个线程并发调用。但是，通过一个由 ConcurrentDictionary 实现的接口的成员（包括扩展方法）访问时，并不是线程安全的，此时要特别注意。

如果需要一个包含字典所有项的单独集合，可以通过调用 ConcurrentDictionary.ToArray 方法得到，千万不能使用扩展方法 ToList，因为它不是线程安全的。

参考：

http://blog.i3arnon.com/2018/01/16/concurrent-dictionary-tolist/ ConcurrentDictionary Is Not Always Thread-Safe
https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.collections.concurrent.concurrentdictionary-2 ConcurrentDictionary<TKey,TValue> Class

作者：技术译民
出品：技术译站