C# Immutable Collections：构建线程安全且高效的不可变集合

为什么使用不变集合

当对象的状态可以被改变时，在多任务并发运行场景下必须引入复杂的同步机制来保证数据一致性。如果对象创建后状态固定不变，多个线程便可安全地同时访问而无需协调。

System.Collections.Immutable 库提供了若干此类类，它们在实例化后即变为只读，任何看似“修改”的操作实际上都会返回一个新的集合实例，从而确保原数据的完整性。

基本用法：ImmutableArray

ImmutableArray<T> 是最高效的不可变集合类型，底层直接映射为数组。它提供了静态方法 Create 用于初始化：

// 使用静态 Create 方法创建该数组，可传递任意数量的元素
ImmutableArray<string> a1 = ImmutableArray.Create<string>();
// Add 方法不会改变不变集合本身，而是返回一个新的不变集合
ImmutableArray<string> a2 = a1.Add("Williams");
// 可以一次调用多个 Add 方法，链式调用生成新集合
ImmutableArray<string> a3 = a2.Add("Ferrari").Add("Mercedes").Add("Red Bull Racing");
foreach (var item in a3)
{
    Console.WriteLine(item);
}

性能优化：共享状态与 Builder 模式

虽然上述方式直观，但频繁调用 Add 可能导致大量的内存分配。不变类型使用了共享状态（Structural Sharing）技术，仅在需要时复制集合的特定分支，而非整个结构。 但在某些场景下，更高效的做法是先填充可变集合，再将其转换为不可变集合：

List<Account> accounts = new List<Account>() {
    new Account { Name = "Scrooge McDuck", Amount = 667377678765m },
    new Account { Name = "Donald Duck", Amount = -200m },
    new Account { Name = "Ludwig von Drake", Amount = 20000m }
};

// 将普通列表转换为不可变列表
ImmutableList<Account> immutableAccounts = accounts.ToImmutableList();

// 使用 ToBuilder 恢复可编辑状态进行批量处理
ImmutableList<Account>.Builder builder = immutableAccounts.ToBuilder();
for (int i = 0; i < builder.Count; i++)
{
    Account a = builder[i];
    if (a.Amount > 0)
    {
        builder.Remove(a);
    }
}

// 重新生成最终的不可变集合
ImmutableList<Account> overdrawnAccounts = builder.ToImmutable();

foreach (var item in overdrawnAccounts)
{
    Console.WriteLine("{0} {1}", item.Name, item.Amount);
}
public class Account
{
    public string Name { get; set; }
    public decimal Amount { get; set; }
}

不变集合 vs 只读集合

需注意区分不变集合与传统的“只读包装视图”。仅仅提供只读视图时，底层原始集合仍可能被其他线程修改；而真正的 ImmutableCollection 一旦创建便绝对稳定，任何后续对其引用的修改都会产生新的实例。