C#双端队列的线程安全实现（从零开始构建高性能并发双端队列）

什么是双端队列？

双端队列（Double-ended Queue，简称 Deque）是一种允许在两端高效插入和删除元素的数据结构。它结合了栈（Stack）和队列（Queue）的特性：

• 可以在头部（Front）添加或移除元素
• 也可以在尾部（Back）添加或移除元素

在 C# 中，虽然 .NET 提供了 Queue<T> 和 Stack<T>，但没有内置的 Deque<T>，更不用说线程安全版本了。

为什么需要线程安全？

当多个线程同时访问同一个双端队列时，如果没有适当的同步机制，可能会导致数据损坏、异常或不可预测的行为。因此，在并发环境中，必须确保操作的原子性和一致性。这就是 C#线程安全双端队列 的价值所在。

实现思路

我们将基于 List<T> 构建一个简单的双端队列，并使用 lock 关键字来保证线程安全。虽然性能不如无锁结构，但对于大多数应用场景已足够，且代码清晰易懂。

核心方法包括：

• AddToFront(T item)：在队列前端添加元素
• AddToBack(T item)：在队列尾端添加元素
• RemoveFromFront()：从队列前端移除并返回元素
• RemoveFromBack()：从队列尾端移除并返回元素
• Count：获取当前元素数量

完整代码实现

using System;using System.Collections.Generic;/// <summary>/// 线程安全的双端队列实现/// </summary>/// <typeparam name="T">队列中元素的类型</typeparam>public class ConcurrentDeque<T>{    private readonly List<T> _items = new List<T>();    private readonly object _lock = new object();    /// <summary>    /// 在队列前端添加元素    /// </summary>    public void AddToFront(T item)    {        lock (_lock)        {            _items.Insert(0, item);        }    }    /// <summary>    /// 在队列尾端添加元素    /// </summary>    public void AddToBack(T item)    {        lock (_lock)        {            _items.Add(item);        }    }    /// <summary>    /// 从队列前端移除并返回元素    /// </summary>    /// <returns>被移除的元素</returns>    /// <exception cref="InvalidOperationException">当队列为空时抛出</exception>    public T RemoveFromFront()    {        lock (_lock)        {            if (_items.Count == 0)                throw new InvalidOperationException("双端队列为空");            T item = _items[0];            _items.RemoveAt(0);            return item;        }    }    /// <summary>    /// 从队列尾端移除并返回元素    /// </summary>    /// <returns>被移除的元素</returns>    /// <exception cref="InvalidOperationException">当队列为空时抛出</exception>    public T RemoveFromBack()    {        lock (_lock)        {            if (_items.Count == 0)                throw new InvalidOperationException("双端队列为空");            T item = _items[_items.Count - 1];            _items.RemoveAt(_items.Count - 1);            return item;        }    }    /// <summary>    /// 获取队列中元素的数量    /// </summary>    public int Count    {        get        {            lock (_lock)            {                return _items.Count;            }        }    }    /// <summary>    /// 检查队列是否为空    /// </summary>    public bool IsEmpty    {        get        {            lock (_lock)            {                return _items.Count == 0;            }        }    }}  

使用示例

下面是一个简单的多线程使用示例，展示如何安全地在多个线程中操作我们的 ConcurrentDeque<int>：

using System;using System.Threading.Tasks;class Program{    static async Task Main(string[] args)    {        var deque = new ConcurrentDeque<int>();        // 启动两个任务：一个从前端添加，一个从后端添加        var task1 = Task.Run(() =>        {            for (int i = 0; i < 1000; i++)            {                deque.AddToFront(i);            }        });        var task2 = Task.Run(() =>        {            for (int i = 1000; i < 2000; i++)            {                deque.AddToBack(i);            }        });        await Task.WhenAll(task1, task2);        Console.WriteLine($"最终队列长度: {deque.Count}"); // 应输出 2000        // 安全地清空队列        while (!deque.IsEmpty)        {            try            {                deque.RemoveFromFront();            }            catch (InvalidOperationException)            {                // 多线程环境下可能有竞争，但我们的实现已处理                break;            }        }        Console.WriteLine($"清空后队列长度: {deque.Count}"); // 应输出 0    }}  

性能与优化建议

上述实现使用 lock 确保了 C#并发集合 的线程安全，但频繁的 Insert(0, item) 操作会导致 List<T> 内部数组大量移动，时间复杂度为 O(n)。对于高性能场景，可考虑以下优化：

• 使用循环缓冲区（Circular Buffer）实现真正的 O(1) 双端操作
• 采用读写锁（ReaderWriterLockSlim）提升读多写少场景的性能
• 参考 .NET 的 ConcurrentQueue<T> 源码，学习无锁（lock-free）设计思想

总结

通过本教程，你已经学会了如何在 C# 中实现一个基础但功能完整的 线程安全双端队列。虽然这不是生产环境中的最优解，但它清晰展示了同步机制的应用，并为你深入理解 C#双端队列 和并发编程打下坚实基础。

记住，实际项目中应优先考虑使用 .NET 提供的成熟并发集合（如 ConcurrentQueue、ConcurrentStack），只有在确实需要双端操作时，才考虑自定义实现。

关键词回顾：C#双端队列、线程安全双端队列、C#并发集合、双端队列实现。