一文读懂 .NET 中的高性能队列 Channel

介绍

System.Threading.Channels 是.NET Core 3.0 后推出的新的集合类型, 具有异步API,高性能，线程安全等特点，它可以用来做消息队列，进行数据的生产和消费, 公开的 Writer 和 Reader api对应消息的生产者和消费者，也让Channel更加的简洁和易用，与Rabbit MQ 等其他队列不同的是，Channel 是进程内的队列。

开始Channel之旅

创建一个 channel 非常简单，Channel 类公开的API支持创建无限容量和有限容量的 channel

 // 创建有限容量的channel 
 var channel = Channel.CreateBounded<string>(100);
 
 // 创建无限容量的channel 
 var channel = Channel.CreateUnbounded<string>(); 

这里需要注意的是，当你使用一个有限容量的 Channel 时，你需要指定容量的大小，还可以指定一个 BoundedChannelFullMode 的枚举类型，来告诉 channel 达到容量限制的时候，继续写入时应该怎么处理

public enum BoundedChannelFullMode
{ 
    Wait, 
    DropNewest,
    DropOldest,
    DropWrite
}

• Wait 是默认值，当 channel 容量满了以后，写入数据时会返回 false，直到channel有数据被消费了以后，才可以继续写入
• DropNewest 移除最新的数据，也就是从队列尾部开始移除
• DropOldest 移除最老的数据，也就是从队列头部开始移除
• DropWrite 写入数据返回成功，但是转头就把刚才的数据丢了

// 创建有限容量的channel, 并指定容量达到最大的策略
var channel = Channel.CreateBounded<string>(new BoundedChannelOptions(100) 
{ 
    FullMode = BoundedChannelFullMode.Wait 
});

生产数据

生产数据主要通过 Channel 提供的 Writer api, 常规的写入操作如下：

await channel.Writer.WriteAsync("hello");  

Channel 还提供了 TryWrite() 方法，如果写入数据失败时会返回 false，WaitToWriteAsync() 方法会做非阻塞的等待，直到 Channel 允许写入新的数据时返回 true，同样的 Channel 关闭后会返回 false

消费数据

消费数据主要通过 Channel 提供的 Reader api, 常规的读取操作如下：

var item = await channel.Reader.ReadAsync();   

同样的，Channel 提供了 TryRead() 尝试读取数据，WaitToReadAsync() 方法会做非阻塞的等待，直到 Channel 可以读取到数据时会返回 true，在 Channel 关闭后会返回 false， 另外你可以通过 channel.Reader.Count 获取队列元素的数量。

在实际的使用场景中，可能需要一些后台任务，长时间的进行消费，那么你可以使用下边的方式

while (await channel.Reader.WaitToReadAsync())
{
    while (channel.Reader.TryRead(out var item))
    {
        Console.WriteLine(item);
    }
}

ReadAllAsync() 方法返回的是一个 IAsyncEnumerable<T> 对象，也可以用 await foreach 的方式来获取数据

await foreach(var item in channel.Reader.ReadAllAsync())
{
    Console.WriteLine(item); 
}

单一生产者和消费者

创建 Channel 时，可以设置 ChannelOptions 的 SingleWriter 和 SingleReader，来指定 Channel 时单一的生产者和消费者，默认都是 false，当设置了 SingleWriter = true 时, 会限制同一个时间只能有一个生产者可以写入数据, SingleReader = true 是同样的。

另外，如果只需要一个消费者的话，你应该设置 SingleReader = true, Channel 在内部做了一些优化，在读取时避免了锁操作，性能上有些许的提升。

性能

这里的基准测试我对比了三种类型，Channel, BufferBlock, BlockingCollection，分别写入了10000条数据，然后进行读取，发现 Channel 确实是表现比较好。

总结

Channel 实际上还是使用 ConcurrentQueue做的封装, 使用起来更方便，对异步更友好，另外，.NET 5 其中的 Quic 内部就使用了Channel，CAP 也在新版本中使用 Channel 替换掉了之前的 BlockingCollection，来实现进程内的队列。

官方介绍 https://devblogs.microsoft.com/dotnet/an-introduction-to-system-threading-channels

源码 https://github.com/dotnet/runtime/tree/main/src/libraries/System.Threading.Channels/src/System/Threading/Channels

CAP https://github.com/dotnetcore/CAP

Quic https://github.com/dotnet/runtime/tree/main/src/libraries/System.Net.Quic