C# 中 ConcurrentDictionary 一定執行緒安全嗎？
根據 .NET 官方文檔的定義：ConcurrentDictionary<TKey,TValue> Class 表示可由多個執行緒同時訪問的執行緒安全的鍵/值對集合。這也是我們在並發任務中比較常用的一個類型，但它真的是絕對執行緒安全的嗎？
仔細閱讀官方文檔，我們會發現在文檔的底部執行緒安全性小節里這樣描述：
ConcurrentDictionary<TKey,TValue>的所有公共和受保護的成員都是執行緒安全的，可從多個執行緒並發使用。但是，通過一個由ConcurrentDictionary<TKey,TValue>實現的介面的成員（包括擴展方法）訪問時，不保證其執行緒安全性，並且可能需要由調用方進行同步。
也就是說，調用 ConcurrentDictionary 本身的方法和屬性可以保證都是執行緒安全的。但是由於 ConcurrentDictionary 實現了一些介面（例如 ICollection、IEnumerable 和 IDictionary 等），使用這些介面的成員（或者這些介面的擴展方法）不能保證其執行緒安全性。System.Linq.Enumerable.ToList 方法就是其中的一個例子，該方法是 IEnumerable 的一個擴展方法，在 ConcurrentDictionary 實例上使用該方法，當它被其它執行緒改變時可能拋出 System.ArgumentException 異常。下面是一個簡單的示例：
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(); //調用 System.Linq.Enumerable.ToList，拋出 System.ArgumentException 異常
}
}
System.Linq.Enumerable.ToList 擴展方法：
發生異常是因為擴展方法 ToList 中調用了 List 的構造函數，該構造函數接收一個 IEnumerable<T> 類型的參數，且該構造函數中有一個對 ICollection<T> 的優化（由 ConcurrentDictionary 實現的）。
System.Collections.Generic.List<T> 構造函數：
在 List 的構造函數中，首先通過調用 Count 獲取字典的大小，然後以該大小初始化數組，最後調用 CopyTo 將所有 KeyValuePair 項從字典複製到該數組。因為字典是可以由多個執行緒改變的，在調用 Count 後且調用 CopyTo 前，字典的大小可以增加或者減少。當 ConcurrentDictionary 試圖訪問數組超出其邊界時，將引發 ArgumentException 異常。
ConcurrentDictionary<TKey,TValue> 中實現的 ICollection.CopyTo 方法：
如果您只需要一個包含字典所有項的單獨集合，可以通過調用 ConcurrentDictionary.ToArray 方法來避免此異常。它完成類似的操作，但是操作之前先獲取了字典的所有內部鎖，保證了執行緒安全性。
注意，不要將此方法與 System.Linq.Enumerable.ToArray 擴展方法混淆，調用 Enumerable.ToArray 像 Enumerable.ToList 一樣，可能引發 System.ArgumentException 異常。
看下面的程式碼中：
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.
}
}
此時調用 ConcurrentDictionary.ToArray，而不是調用 Enumerable.ToArray，因為後者是一個擴展方法，前者重載解析的優先順序高於後者。所以這段程式碼不會拋出異常。
但是，如果通過字典實現的介面（繼承自 IEnumerable）使用字典，將會調用 Enumerable.ToArray 方法並拋出異常。例如，下面的程式碼顯式地將 ConcurrentDictionary 實例分配給一個 IDictionary 變數：
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(); //調用 System.Linq.Enumerable.ToArray，拋出 System.ArgumentException 異常
}
}
此時調用 Enumerable.ToArray，就像調用 Enumerable.ToList 時一樣，引發了 System.ArgumentException 異常。
總結
正如官方文檔上所說的那樣，ConcurrentDictionary 的所有公共和受保護的成員都是執行緒安全的，可從多個執行緒並發調用。但是，通過一個由 ConcurrentDictionary 實現的介面的成員（包括擴展方法）訪問時，並不是執行緒安全的，此時要特別注意。
如果需要一個包含字典所有項的單獨集合，可以通過調用 ConcurrentDictionary.ToArray 方法得到，千萬不能使用擴展方法 ToList，因為它不是執行緒安全的。
參考：
- //blog.i3arnon.com/2018/01/16/concurrent-dictionary-tolist/ ConcurrentDictionary Is Not Always Thread-Safe
- //docs.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.collections.concurrent.concurrentdictionary-2 ConcurrentDictionary<TKey,TValue> Class
作者 ： 技術譯民
出品 ： 技術譯站
