Question

我正在使用3.5 .NET Framework进行开发，我需要在多线程senario中使用缓存，并为其项目添加延迟加载模式。在网上阅读了几篇文章后，我试着编写自己的实现。这是我的代码。

public class CacheItem
{
    public void ExpensiveLoad()
    {
        // some expensive code
    }
}
public class Cache
{
    static object SynchObj = new object();
    static Dictionary<string, CacheItem> Cache = new Dictionary<string, CacheItem>();
    static volatile List<string> CacheKeys = new List<string>();

    public CacheItem Get(string key)
    {
        List<string> keys = CacheKeys;
        if (!keys.Contains(key))
        {
            lock (SynchObj)
            {
                keys = CacheKeys;
                if (!keys.Contains(key))
                {
                    CacheItem item = new CacheItem();
                    item.ExpensiveLoad();
                    Cache.Add(key, item);
                    List<string> newKeys = new List<string>(CacheKeys);
                    newKeys.Add(key);
                    CacheKeys = newKeys;
                }
            }
        }
        return Cache[key];
    }
}

正如您所看到的，Cache对象既使用存储真实键值对的字典，也使用仅复制键的列表。当一个线程调用Get方法时，它会读取静态共享密钥列表（它被声明为volatile）并调用Contains方法以查看密钥是否已经存在，如果不是，则在开始延迟加载之前使用双重检查的锁定模式。在加载结束时，创建密钥列表的新实例并将其存储在静态变量中。

显然，我的情况是，重新创建整个密钥列表的成本几乎与单个项目加载的成本无关。

我希望有人能告诉我它是否真的是线程安全的。当我说“线程安全”时，我的意思是每个读者线程都可以避免读取损坏或脏，并且每个编写器线程只加载缺少的项目一次。

感谢。

Answer 1

这不是线程安全的，因为在阅读词典时你没有锁定。

有一个竞争条件，一个线程可以读取：

return Cache[key];

而另一个人在写：

_Cache.Add(key, item);

正如MSDN documentation for Dictionary<TKey,TValue>所述：`

要允许多个线程访问集合以进行读写，您必须实现自己的同步。

并且您的同步不包括读者。

你真的需要使用一个线程安全的字典，这将极大地简化你的代码（根本不需要列表）

我建议获取.NET 4 ConcurrentDictionary的源代码。

正确获取线程安全是很困难的，因为其他一些回答者错误地声明您的实现是线程安全的事实证明了这一点。因此，我相信微软在自制之前的实施。

如果您不想使用线程安全字典，那么我建议使用简单的字样：

public CacheItem Get(string key)
{
    lock (SynchObj)
    {
        CacheItem item;
        if (!Cache.TryGetValue(key, out item))
        {
            item = new CacheItem();
            item.ExpensiveLoad();
            Cache.Add(key, item);
        }
        return item;
    }
}

您也可以尝试使用ReaderWriterLockSlim进行实施，但您可能无法获得显着的性能提升（google for ReaderWriterLockSlim性能）。

至于使用ConcurrentDictionary的实现，在大多数情况下，我只会使用类似的东西：

static ConcurrentDictionary<string, CacheItem> Cache = 
    new ConcurrentDictionary<string, CacheItem>(StringComparer.Ordinal);
...
CacheItem item = Cache.GetOrAdd(key, key => ExpensiveLoad(key));

这可能会导致ExpensiveLoad被更多地调用一次，但是我打赌如果您对自己的应用进行了分析，您会发现这种情况非常罕见，不会出现问题。

如果你真的坚持确保它只被调用一次，那么你可以掌握.NET 4 Lazy<T>实现，并执行以下操作：

static ConcurrentDictionary<string, Lazy<CacheItem>> Cache = 
    new ConcurrentDictionary<string, Lazy<CacheItem>>(StringComparer.Ordinal);
...

CacheItem item = Cache.GetOrAdd(key, 
               new Lazy<CacheItem>(()=> ExpensiveLoad(key))
             ).Value;

在此版本中，可能会创建多个Lazy<CacheItem>实例，但实际上只有一个实例存储在字典中。对于存储在字典中的实例，第一次ExpensiveLoad将被取消引用，将调用Lazy<CacheItem>.Value。此Lazy<T>构造函数使用LazyThreadSafetyMode.ExecutionAndPublication，它在内部使用锁，因此请确保只有一个线程调用工厂方法ExpensiveLoad。

另外，在使用字符串键构造任何字典时，我总是使用IEqualityComparer<string>参数（通常是StringComparer.Ordinal或StringComparer.OrdinalIgnoreCase）来明确记录有关区分大小写的意图。

Answer 2

到目前为止，我看不出任何重大问题。我在代码中唯一看不到的是你如何公开CacheKeys？最简单的一个是IList<string>，由ReadOnlyCollection填充。这样，您的消费者可以非常轻松地使用索引运算符或count属性。在这种情况下，也不需要volatile关键字，因为您已将所有内容都放入锁中。所以我会按照以下方式对你的课程进行皮条客：

public class CacheItem
{
    public void ExpensiveLoad()
    {
        // some expensive code
    }
}
public class Cache
{
    private static object _SynchObj = new object();
    private static Dictionary<string, CacheItem> _Cache = new Dictionary<string, CacheItem>();
    private static ReadOnlyCollection<string> _CacheKeysReadOnly = new ReadOnlyCollection(new List<string>());

    public IList<string> CacheKeys
    {
        get
        {
            return _CacheKeysReadOnly;
        }
    }

    public CacheItem Get(string key)
    {
        CacheItem item = null;
        ReadOnlyCollection<string> keys = _CacheKeysReadOnly;
        if (!keys.Contains(key))
        {
            lock (_SynchObj)
            {
                keys = _CacheKeysReadOnly;
                if (!keys.Contains(key))
                {
                    item = new CacheItem();
                    item.ExpensiveLoad();
                    _Cache.Add(key, item);
                    List<string> newKeys = new List<string>(_CacheKeysReadOnly);
                    newKeys.Add(key);
                    _CacheKeysReadOnly = newKeys.AsReadOnly();
                }
            }
        }
        return item;
    }
}

作为替代方案，如果您已经在.Net 4.5上，您还可以考虑使用CacheKeys属性的IReadOnlyList<T>接口。

这个延迟加载缓存实现是否是线程安全的？

2 个答案: