在多執行緒下分別對於的集合型別物件存取 - 使用 foreach 與 for
最近收到一份範例程式碼，如下所示
在這份程式碼中，將會看到在 Main 方法內，分別建立了兩個執行緒，第一個執行緒將會執行 Run1 方法，在此方法內將會執行 while (true) { list.Add("A"); } 敘述，應該是要表示這裡會不斷地加入新的物件到 List 這個集合物件內，而該 List<string> 集合物件將會是一個靜態資源，同時可以被這兩個執行緒來存取。
在第二個執行緒所指定的委派方法內，將會呼叫 Run2 這個方法，在其方法內將會執行這樣的程式碼 while (true) { foreach (var item in list) { } list.Clear(); } ，透過 foreach 來逐一存取這個 List<string> 集合物件內的每個字串，雖然，在迴圈內沒有執行其他額外程式碼，我的猜想這應該是要針對第一個執行緒所新增進來的集合物件內的個別項目，逐一進行處理，最後，在 foreach 迴圈之外，將會存取這個 List<string> 多執行緒下共享的集合物件資源，透過 Clear() 方法，將這個集合物件內的項目予以清除。
順便再來說明 Run3 這個方法 (雖然，在第二個執行緒內，呼叫 Run3(); 的敘述被註解起來)，其程式碼為 while (true) { for (int i = 0; i < list.Count; i++) { var b = list[i]; } list.Clear(); } ，在這個無窮迴圈內，同樣的會使用 for 敘述來存取該集合物件內的每個項目，不過，多的一個將每個項目指定到一個區域變數內，不過，這樣的敘述，不影響整個問題，在離開迴圈之後，同樣的會清除該集合物件的所有項目。
提交這份範例程式碼的人提出一個疑問，當在第二個執行緒執行的時候，若呼叫 Run2 這個方法，將會產生例外異常，也就是使用 foreach 敘述，似乎無法在多執行緒運行，若將第二個執行緒內的要呼叫的方法改為 Run3 這個方法，將可以正常運作。
namespace ConsoleApp5
{
internal class Program
{
static List<string> list = new List<string>();
static void Main(string[] args)
{
new Thread(() =>
{
Run1();
})
{ IsBackground = true }.Start();
new Thread(() =>
{
Run2();
//Run3();
})
{ IsBackground = true }.Start();
Console.ReadKey();
}
static void Run1()
{
while (true)
{
list.Add("A");
}
}
static void Run2()
{
while (true)
{
foreach (var item in list)
{
}
list.Clear();
}
}
static void Run3()
{
while (true)
{
for (int i = 0; i < list.Count; i++)
{
var b = list[i];
}
list.Clear();
}
}
}
}為了方便解釋且不影響執行結果，在這裡把上述的程式碼改寫成為底下內容
底下程式碼除了做些簡化的工作，另外，對於在新增、讀取、清除這個共用集合物件的時候，同樣的會在螢幕上輸出相對應的 A、R、C 這樣的文字，有了這些輸出訊息文字，更可以觀察到一些問題與現象。
在這裡，同樣的還是先將 #region 執行緒 3 ... #endregion 之間的程式碼先註解起來。
namespace MultipleThreadAccessCollection
{
using static System.Console;
internal class Program
{
static List<string> list = new List<string>();
static void Main(string[] args)
{
#region 執行緒 1
new Thread(() =>
{
while (true)
{ list.Add("A"); Write("A"); }
})
{ IsBackground = true }.Start();
#endregion
#region 執行緒 2
new Thread(() =>
{
while (true)
foreach (var item in list) { Write("R"); }
list.Clear();
Write("C");
})
{ IsBackground = true }.Start();
#endregion
#region 執行緒 3
//new Thread(() =>
//{
// while (true)
// for (int i = 0; i < list.Count; i++)
// { var b = list[i]; Write("R"); }
// list.Clear();
// Write("C");
//})
//{ IsBackground = true }.Start();
#endregion
Console.ReadKey();
}
}
}完成重新建構這個測試專案之後，便可以開始執行這個專案
很不幸的，不論執行幾次，都會遇到例外異常拋出，在 Visual Studio 工具內，將會看到這這樣的畫面
從 [未處理的例外狀況] 對話窗內容，可以看到現在遇到的問題將會是產生了一個 Collection was modified; enumeration operation may not execute 問題，從字面意義上來看，這應該是當在進行 foreach 敘述的時候，對於所提供的列舉集合，在此將是 List<string>，若這個 foreach 迴圈尚未完成的話，是不允許針對這個列舉集合物件進行項目的異動。
底下將會是這個例外異常的詳細說明內容
System.InvalidOperationException: Collection was modified; enumeration operation may not execute.
at System.Collections.Generic.List`1.Enumerator.MoveNext()
at MultipleThreadAccessCollection.Program.<>c.<Main>b__1_1() in C:\Vulcan\Github\CSharp2022\MultipleThreadAccessCollection\MultipleThreadAccessCollection\Program.cs:line 23
at System.Threading.Thread.StartCallback()
現在來觀察執行結果，這裡將會截圖三次的執行結果，如下面圖片所示
從這些圖片可以看到，兩個執行緒確實都有在運作，對於第一個執行緒確實不斷的新增項目到集合物件內，但是，對於第二個執行緒而言，僅能夠第一個進行列舉讀取這個集合物件的項目(這裡有特別將 R 這個文字反白標示出來)，一旦要進行第二次讀取列舉集合物件內的項目時候，可以看出，因為第一個執行緒不斷的在新增新的項目，這時將導致集合物件內的項目數量增加了，因此，便會造成 foreach 敘述無法繼續運作下去。
現在將 #region 執行緒 2 ... #endregion 內的敘述註解起來，並且將 #region 執行緒 3 ... #endregion 內的所有程式碼解除註解
底下的螢幕截圖，將會是執行結果
整體執行過程中沒有發生拋出例外異常的問題
分析
關於之前提到的例外異常，可以使用底下的程式碼再度來進行測試
這裡將會產生 100 個項目 Item 到 List<string> 中，此時，將會在另外一個執行緒內，使用 foreach 敘述，每隔 0.5 秒鐘來讀取一個項目出來，若使用者沒有按下任何一個按鍵，則一切相安無事，可是，只要使用者按下任何一個按鍵，將會導致在主執行緒內，開始再度新增 100 個項目到集合物件 List 內，現在，將會得到同樣的 Collection was modified; enumeration operation may not execute 例外異常訊息，這樣有比較清楚造成這個例外異常的發生原因了吧
namespace ConsoleApp6
{
internal class Program
{
static List<string> list = new List<string>();
static void Main(string[] args)
{
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
list.Add("A");
}
ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ =>
{
foreach (var item in list)
{
Thread.Sleep(500);
Console.Write(".");
}
list.Clear();
});
Console.WriteLine("Press any key for continuing...");
Console.ReadKey();
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
list.Add("A");
}
Console.WriteLine("Press any key for continuing...");
Console.ReadKey();
}
}
}還有一個問題那就是，雖然取消了執行緒2的執行，改採執行緒3，並且執行結果似乎沒有看到問題，現在來看看執行緒3的程式碼有那些問題
#region 執行緒 3
new Thread(() =>
{
while (true)
for (int i = 0; i < list.Count; i++)
{ var b = list[i]; Write("R"); }
list.Clear();
Write("C");
})
{ IsBackground = true }.Start();
#endregion在執行緒3的委派方法內存在一個很大的問題，那就是若有這樣的時機發生，執行到 list.Clear(); 敘述，將會導致集合物件內的整個項目都會清空，可是，當在執行這個動作的同時，執行緒1同時也有新增項目到集合物件內，極有可能會造成這個項目尚未被執行緒3處理，就直接被清除掉了，若發生這樣的問題，將會是很難除錯的，因為，使用者或者身為開發者的你，也無法有效地重現出當時發生問題情況，問題是很難抓出來的。
這樣的多執行緒程式碼將會造成一個現象，那就是這個程式碼不具備 [執行緒安全 Thread Safety] 特性，因為，在多執行緒環境執行下，這組程式的執行結果將會是不可預期的。
最簡單的解法那就是當要寫入或者刪除共用資源，這裡將會是 list 這個集合物件，要進行鎖定的動作，因此，當執行 list.Clear(); 敘述的時候，要確保其他執行緒是不能夠來進行寫入動作的，當然，加入的鎖定或者其他同步機制，將會造成執行效能有所損失。
因此，只要是在多執行緒程式下，對於要存取共用的集合物件，可以參考這篇文章 安全執行緒集合。在這篇文章中，開宗明義提到了：.NET Framework 4 引進了 System.Collections.Concurrent 命名空間，其中包含數個兼具安全執行緒與調整能力的集合類別。因此，建議還是採用這樣的類別來進行多執行緒下的集合物件存取。
對於這裡提到的應用，可以先參考微軟建議的 如何：實作生產者-取用者資料流程模式 做法，或者可以在網路上搜尋其他人寫好的類似套件，直接使用這些套件來進行多執行程式設計，因為這些套件是具有執行緒安全的特性，所以，透過使用這些套件或者微軟建議的做法，你開發出來的程式碼，也會是具有執行緒安全的特性的。
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