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c#题例-2025-06-13 07:38:43

好的!以下是一道专家级别的 C# 程序员逻辑面试题,涉及多线程、并发和性能优化:

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### 面试题:设计一个高效的生产者-消费者模型

**题目描述:**

你需要实现一个生产者-消费者模型,其中多个生产者线程将数据放入共享队列中,而多个消费者线程从队列中取出数据进行处理。为了确保线程安全和高效性能,请考虑以下要求:

1. **线程安全**:确保在多线程环境下,生产者和消费者可以安全地访问共享队列。
2. **阻塞机制**:如果队列已满,生产者应被阻塞直到有空间可用;如果队列为空,消费者应被阻塞直到有数据可用。
3. **性能优化**:尽量减少锁的竞争,提高吞吐量。
4. **可扩展性**:支持动态调整生产者和消费者的数量。

**具体要求:**

- 使用 `C#` 的 `BlockingCollection` 或手动实现类似的逻辑。
- 提供一个示例程序,展示如何启动多个生产者和消费者线程,并验证其正确性和性能。
- 分析你的实现的优缺点,并提出可能的改进方案。

**提示:**

- 可以使用 `ConcurrentQueue` 作为底层数据结构。
- 考虑使用 `SemaphoreSlim` 或 `Monitor.Wait/Pulse` 来实现阻塞机制。
- 如果不使用 `BlockingCollection`,请手动实现类似的功能。

---

### 示例代码框架(部分):

```csharp
using System;
using System.Collections.Concurrent;
using System.Threading;

class ProducerConsumer
{
private readonly BlockingCollection _queue = new BlockingCollection(new ConcurrentQueue(), 10);

public void StartProducers(int producerCount)
{
for (int i = 0; i < producerCount; i++)
{
ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ => Produce());
}
}

public void StartConsumers(int consumerCount)
{
for (int i = 0; i < consumerCount; i++)
{
ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ => Consume());
}
}

private void Produce()
{
int count = 0;
while (true)
{
try
{
_queue.Add(count++);
Console.WriteLine($"Produced: {count - 1}");
}
catch (InvalidOperationException)
{
Console.WriteLine("Queue is full, waiting...");
Thread.Sleep(100); // Simulate waiting
}
}
}

private void Consume()
{
while (true)
{
try
{
int item = _queue.Take();
Console.WriteLine($"Consumed: {item}");
}
catch (InvalidOperationException)
{
Console.WriteLine("Queue is empty, waiting...");
Thread.Sleep(100); // Simulate waiting
}
}
}
}

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var model = new ProducerConsumer();
model.StartProducers(3);
model.StartConsumers(5);

Console.ReadLine(); // Keep the program running
}
}
```

---

### 进阶问题:

1. 如果不允许使用 `BlockingCollection`,你会如何手动实现类似的功能?
2. 如何进一步优化性能,尤其是在高并发场景下?
3. 如果需要支持优先级队列,你会如何修改现有代码?

---

这道题目考察了候选人对多线程编程、并发控制、性能优化的理解,同时也测试了其实现复杂系统的能力。

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