ConcurrentQueue并发队列和SemaphoreSlim轻量级信号量

ConcurrentQueue 并发队列

 

SemaphoreSlim 轻量级信号量

 

这两个是做 生产者 - 消费者、高频数据采集、多线程采集不卡顿 的核心工具，也是工控上位机必用知识点。

一、ConcurrentQueue 并发队列

1. 是什么？

ConcurrentQueue<T> = 线程安全的先进先出队列

 

普通 Queue<T> 不是线程安全的，多线程同时读写会直接报错或数据错乱。

 

工控场景：

• 采集线程（生产者）不断入队
• 处理线程（消费者）不断出队
   
  必须用 ConcurrentQueue

2. 核心特点

• 线程安全，无需 lock
• 无边界（默认无限长度）
• 高性能，适合高并发
• 先进先出 FIFO

3. 常用方法

// 入队（生产者）
queue.Enqueue(item);

// 尝试出队（消费者）
if (queue.TryDequeue(out var item))
{
    // 处理数据
}

// 查看队首元素，不出队
if (queue.TryPeek(out var item))

// 清空队列
while (queue.TryDequeue(out _)) { }

// 获取数量
int count = queue.Count;

4. 工业上位机典型用法

// 全局并发队列
private readonly ConcurrentQueue<DeviceData> _dataQueue = new();

// 生产者：PLC 采集线程
void CollectThread()
{
    while (true)
    {
        var data = ReadFromPLC();  // 从 PLC 读取
        _dataQueue.Enqueue(data);  // 入队
        Thread.Sleep(100);
    }
}

// 消费者：数据处理线程
void ProcessThread()
{
    while (true)
    {
        if (_dataQueue.TryDequeue(out var data))
        {
            // 更新UI、写库、报警判断
        }
        Thread.Sleep(10);
    }
}

优点：

• 采集不卡处理
• 处理不拖慢采集
• 不会丢数据
• 不会报集合修改异常

二、SemaphoreSlim 轻量级信号量

1. 是什么？

SemaphoreSlim = 控制同时运行的线程数量
可以理解为：“限制多少个人同时进房间”

工控上位机用途：

• 限制同时处理的任务数
• 实现 等待 + 通知 机制
• 解决消费者线程空转浪费 CPU
• 生产者生产后通知消费者 “来活了”

2. 核心作用

1. 限流（最多 N 个线程同时运行）
2. 线程同步（生产者通知消费者）
3. 避免消费者无限循环耗 CPU

3. 常用方法

// 创建信号量，初始0，最大1000
var semaphore = new SemaphoreSlim(0, 1000);

// 等待信号（阻塞直到有信号）
semaphore.Wait();

// 异步等待（不阻塞线程，上位机常用）
await semaphore.WaitAsync();

// 释放一个信号
semaphore.Release();

// 释放多个信号
semaphore.Release(5);

4. 为什么上位机必须用它？

如果只用 ConcurrentQueue，消费者要这样写：

while (true)
{
    if (queue.TryDequeue(...)) { ... }
    Thread.Sleep(10);
}

问题：

• CPU 一直空转
• 延迟高
• 浪费资源

使用 SemaphoreSlim 后：

• 没数据时 线程休眠，不占 CPU
• 有数据时 立即唤醒
• 工业标准用法

三、终极组合：ConcurrentQueue + SemaphoreSlim

（工控上位机标准生产者 - 消费者架构）

完整示例代码

// 数据实体
public class DeviceData
{
    public float Temperature { get; set; }
    public DateTime Time { get; set; }
}

public class DataProcessService
{
    // 并发队列
    private readonly ConcurrentQueue<DeviceData> _queue = new();

    // 信号量
    private readonly SemaphoreSlim _semaphore = new(0, int.MaxValue);

    // 运行标志
    private bool _isRunning;

    // 启动消费者
    public void StartConsumer()
    {
        _isRunning = true;

        Task.Run(async () =>
        {
            while (_isRunning)
            {
                try
                {
                    // 等待信号（没数据就休眠）
                    await _semaphore.WaitAsync();

                    // 取出数据
                    if (_queue.TryDequeue(out var data))
                    {
                        // 处理：更新UI、写库、报警
                        ProcessData(data);
                    }
                }
                catch (Exception ex)
                {
                    // 异常处理
                }
            }
        });
    }

    // 生产者：往队列里扔数据
    public void AddData(DeviceData data)
    {
        _queue.Enqueue(data);
        _semaphore.Release(); // 通知消费者来取
    }

    // 模拟数据处理
    private void ProcessData(DeviceData data)
    {
        Console.WriteLine($"处理温度：{data.Temperature} ℃");
    }

    public void Stop()
    {
        _isRunning = false;
    }
}

使用方式

var service = new DataProcessService();
service.StartConsumer();

// 模拟 PLC 采集线程（生产者）
while (true)
{
    var data = new DeviceData
    {
        Temperature = 50 + new Random().Next(0, 20),
        Time = DateTime.Now
    };

    service.AddData(data);
    Thread.Sleep(100);
}

四、两者配合的真正优势（工控必看）

1. ConcurrentQueue 负责

• 线程安全存取数据
• 保证顺序
• 不丢包

2. SemaphoreSlim 负责

• 没有数据时 不占用 CPU
• 有数据时 立即唤醒处理
• 避免死循环空转
• 实现高效的生产消费模型

3. 最终效果

• 采集 1ms 也不卡
• 处理再慢也不影响采集
• CPU 占用极低
• 上位机界面永远流畅
• 工业标准、稳定可靠

五、一句话总结

• ConcurrentQueue = 线程安全队列，负责存数据
• SemaphoreSlim = 线程通知器，负责唤醒消费者
• 两者组合 = 工业上位机标准生产者 - 消费者模型