面试题：C#属性和索引器在多线程环境下的设计与优化

Question

在多线程应用程序中，使用C#的属性和索引器可能会遇到线程安全问题。请设计一个包含属性和索引器的类，使其在多线程环境下高效且线程安全。详细说明你采取的同步机制，如何避免死锁，以及在性能优化方面的考虑，如使用锁的粒度控制、读写锁的应用场景等。

Answer 1

类设计

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;

public class ThreadSafeClass
{
    private readonly object _lockObject = new object();
    private readonly ReaderWriterLockSlim _rwLock = new ReaderWriterLockSlim();
    private int _propertyValue;
    private Dictionary<int, string> _indexerData = new Dictionary<int, string>();

    // 线程安全的属性
    public int Property
    {
        get
        {
            _rwLock.EnterReadLock();
            try
            {
                return _propertyValue;
            }
            finally
            {
                _rwLock.ExitReadLock();
            }
        }
        set
        {
            _rwLock.EnterWriteLock();
            try
            {
                _propertyValue = value;
            }
            finally
            {
                _rwLock.ExitWriteLock();
            }
        }
    }

    // 线程安全的索引器
    public string this[int index]
    {
        get
        {
            _rwLock.EnterReadLock();
            try
            {
                if (_indexerData.ContainsKey(index))
                {
                    return _indexerData[index];
                }
                return null;
            }
            finally
            {
                _rwLock.ExitReadLock();
            }
        }
        set
        {
            _rwLock.EnterWriteLock();
            try
            {
                if (_indexerData.ContainsKey(index))
                {
                    _indexerData[index] = value;
                }
                else
                {
                    _indexerData.Add(index, value);
                }
            }
            finally
            {
                _rwLock.ExitWriteLock();
            }
        }
    }
}

同步机制

1. 读写锁（ReaderWriterLockSlim）：对于属性的读取和索引器的读取操作，使用读锁（EnterReadLock），允许多个线程同时读取数据，提高并发性能。对于属性的写入和索引器的写入操作，使用写锁（EnterWriteLock），只允许一个线程进行写入，保证数据一致性。
2. 对象锁（object）：在需要更粗粒度的同步时，可以使用object锁。但在本示例中，由于读写锁已经能满足需求，object锁未被直接使用，只是作为一个示例存在。

避免死锁

1. 锁获取顺序一致：确保在整个应用程序中，线程获取锁的顺序是一致的。例如，如果一个线程先获取_rwLock的写锁，再获取其他锁，那么其他线程也应该按照相同的顺序获取锁。
2. 超时机制：ReaderWriterLockSlim提供了带有超时参数的锁获取方法，如EnterReadLock(int millisecondsTimeout)和EnterWriteLock(int millisecondsTimeout)。可以设置合理的超时时间，避免线程无限期等待锁，从而防止死锁。

性能优化

1. 锁的粒度控制：使用ReaderWriterLockSlim而不是简单的lock关键字，减小锁的粒度。读操作可以并发执行，只有写操作才需要独占锁，提高了并发性能。
2. 读写锁的应用场景：适用于读多写少的场景，如缓存系统。在这种场景下，大量的读操作可以并发执行，只有少量的写操作需要独占锁，从而提高系统的整体性能。