Colecciones congeladas de C# .NET 8: una introducción al acceso ultrarrápido a datos

Introducción a colecciones congeladas: ¡Acceso a datos ultrarrápido con C# y .NET Core!

¡Hola! Soy John, un veterano escritor de blogs. Cuando escuchas hablar de tecnología de IA, puede que pienses que es difícil. ¡Pero no te preocupes! En este blog, explicaré las últimas tecnologías de forma sencilla para todos. En esta ocasión, hablaré de...Colecciones congeladas¡Echemos un vistazo a esta tecnología juntos, especialmente para aquellos que recién están comenzando a usar C# y .NET Core!

¿Qué es la Colección Frozen? Información básica que debes saber

Primero, permítanme explicar el concepto de "colección". En programación, usamos un contenedor llamado "colección" para gestionar una gran cantidad de datos (por ejemplo, una lista de usuarios o información de un producto) en conjunto. Existen varios tipos de colecciones, como listas, diccionarios y conjuntos.

Ahora, al tema principal:Colección Frozen".esto es,.NET 8 Esta es una colección especial introducida en la versión relativamente nueva de .NET. Como su nombre "Frozen" sugiere, está "congelada" en otras palabras.Una vez creado, el contenido no se puede modificar.Esta es una característica importante. Y gracias a esta propiedad de ser "inmutable",La lectura de datos (especialmente la búsqueda) se vuelve mucho más rápidaEstá optimizado así.

Para ponerlo en perspectiva, es como un "libro de referencia perfecto" que, una vez terminado, nadie puede manipularlo. No se pueden añadir páginas ni reescribir el contenido, pero, por otro lado, es muy rápido buscar información específica en el índice.

Esta colección congelada resuelve el problema que buscan los programadores: "Crear los datos una sola vez y luego leerlos. ¡Y leerlos lo más rápido posible!". Esto es especialmente importante para servicios web a los que acceden muchas personas simultáneamente, donde la velocidad de lectura está directamente relacionada con la comodidad del servicio, lo que convierte a esta tecnología en una herramienta fundamental.

Para resumir sus características únicas:

• Inmutabilidad:No se puede cambiar después de la creación.
• Velocidad de lectura rápida:La búsqueda y referencia de datos es extremadamente rápida.
• Seguridad del hiloSeguro para el acceso simultáneo de múltiples procesos de programa (más sobre esto más adelante).

¿Por qué necesitamos una colección congelada? ¿En qué se diferencia de una colección tradicional?

Quizás te preguntes: "¿Para qué necesitamos algo nuevo si ya tenemos tantas colecciones?". ¡Es una gran pregunta! Cada colección anterior tenía sus fortalezas y debilidades.

Desafíos de las colecciones tradicionales

• List<T> (lista):

  Esta es una de las colecciones más comunes y almacena los datos de forma ordenada. Es fácil añadir o eliminar elementos, pero la búsqueda de un elemento específico entre una gran cantidad de datos suele tardar más a medida que aumenta la cantidad de datos (ya que la búsqueda se realiza en orden desde el principio).

• Dictionary<TKey, TValue> (diccionario) / HashSet<T> (Conjunto de hash):

  Se trata de colecciones que permiten encontrar rápidamente datos específicos.Dictionary gestiona datos en pares "clave" y "valor",HashSet Gestiona eficientemente elementos no superpuestos. Sin embargo, dado que pueden modificarse libremente incluso después de su creación (son mutables), pueden surgir problemas inesperados (como inconsistencias en los datos) cuando varios procesos intentan reescribir datos simultáneamente. Para evitar esto, puede requerirse un mecanismo algo complejo llamado "bloqueo".

• ImmutableList<T> (Lista inmutable) / ImmutableHashSet<T> (Conjuntos hash inmutables), etc.:

  "Inmutable" significa "inalterable". Estas colecciones tampoco se pueden modificar una vez creadas. Si intenta modificarlas, se crea una nueva colección para reflejar los cambios, dejando intacta la colección original. Esto aumenta la seguridad de sus datos, pero no está tan optimizado para la velocidad de lectura como las colecciones congeladas.

Lo que soluciona la Colección Frozen

La Colección Frozen aborda estos desafíos, especialmenteRendimiento de lecturaYSeguridad de subprocesos para acceso simultáneo desde múltiples procesos" fue desarrollado con un enfoque en

Al trabajar bajo la premisa de que los datos "se crean una vez y nunca se modifican", la estructura interna se puede optimizar para las lecturas, lo que permite búsquedas mucho más rápidas que las colecciones inmutables tradicionales.

Además, como los datos nunca cambian, incluso si varios procesos (llamados subprocesos) consultan la misma colección congelada simultáneamente, no hay que preocuparse de que los datos se corrompan o se conviertan en valores extraños. Esto evita la necesidad de escribir procesos de sincronización complejos (como bloqueos), lo que simplifica y aumenta la seguridad de los programas.

¡Profundizando en las características clave de la colección Frozen!

Veamos con más detalle qué hace que la colección Frozen sea tan atractiva.

• Inmutabilidad

  Esta es la característica principal de las colecciones congeladas: no se pueden agregar, eliminar ni modificar elementos de una colección una vez creada. Esto garantiza la consistencia de los datos. No hay que preocuparse de que los valores configurados cambien con el tiempo.

• Optimización del rendimiento

  Las colecciones congeladas están diseñadas para ser extremadamente rápidas, especialmente para operaciones de lectura como la búsqueda y referencia de datos. Su diseño ingenioso a nivel de estructura de datos y algoritmo permite encontrar rápidamente lo que se busca entre una gran cantidad de datos. Si bien puede haber algún costo al momento de la inicialización (al crear una colección), la mejora posterior en la velocidad de lectura lo compensa con creces.

• Seguridad del hilo

  Un "hilo" es una secuencia de operaciones dentro de un programa. Las aplicaciones modernas utilizan múltiples hilos ejecutándose simultáneamente para aumentar la eficiencia (por ejemplo, un servidor web procesa varias solicitudes de usuario simultáneamente). Las colecciones congeladas son inmutables, por lo que incluso si varios hilos acceden a la misma colección simultáneamente, no hay condiciones de carrera ni problemas de sincronización. Esto hace que la programación concurrente, que de otro modo sería compleja, sea mucho más sencilla y segura.

• Sencillez

  El uso es muy sencillo: seleccione una colección existente (p. ej.List や Dictionary) permite crear colecciones congeladas con una simple llamada a un método. La API (Interfaz de Programación de Aplicaciones: una ventana para llamar a funciones del programa) también es similar en muchos aspectos a las colecciones convencionales, lo que la hace atractiva por su bajo costo de aprendizaje.

Tipos de colección Frozen: FrozenDictionary y FrozenSet

.NET 8 System.Collections.Frozen El espacio de nombres proporciona dos colecciones congeladas principales:

• FrozenDictionary<TKey, TValue> (Diccionario congelado)

  Esta es una versión congelada de un "diccionario" que almacena pares clave-valor. Dictionary<TKey, TValue> Al igual que en el caso anterior, puede recuperar valores rápidamente mediante claves, pero una vez creados, no podrá agregar, modificar ni eliminar claves ni valores. Por ejemplo, es ideal para casos en los que los datos maestros del producto no cambian tras la inicialización, como al recuperar el "nombre del producto" utilizando el "ID del producto" como clave.

• FrozenSet<T> (Conjunto congelado)

  Esta es una versión congelada de un "conjunto" que almacena una colección de elementos distintos. HashSet<T> Puede determinar rápidamente si un elemento específico existe en un conjunto. Esto tampoco se puede modificar después de su creación. Por ejemplo, es adecuado para gestionar un conjunto de valores únicos que no cambian una vez definidos, como una lista de nombres de usuario permitidos.

Lo que ambas colecciones tienen en común esEs de sólo lectura y no se puede modificar después de su creación."Esta restricción es lo que produce el sorprendente rendimiento de lectura.

¡Intentemos usar Colecciones Congeladas en C#! Ejemplo de código práctico

Echemos un vistazo a cómo se utilizan realmente las colecciones congeladas en el código C#, asumiendo una aplicación de consola simple.

Preparación: entorno .NET

La colección Frozen .NET 8 y posterioresDisponible en Visual Studio 2022 y Visual Studio Code. Cree un proyecto orientado a .NET 8 (o posterior) en un entorno de desarrollo como Visual Studio XNUMX o Visual Studio Code. Se recomienda una aplicación de consola.

FrozenDictionary Creación y uso

Primero, lo habitual Dictionary Preparar y luego FrozenDictionary Vamos a intentar crearlo.

using System.Collections.Frozen; // これが必要！

// 1. まずは通常のDictionaryを用意
var regularDictionary = new Dictionary<int, string>
{
    { 1, "リンゴ" },
    { 2, "バナナ" },
    { 3, "ミカン" }
};

// 2. ToFrozenDictionary() メソッドでフローズン化！
var frozenDictionary = regularDictionary.ToFrozenDictionary();

// 3. データの読み取り (高速！)
if (frozenDictionary.TryGetValue(2, out string? fruitName))
{
    Console.WriteLine($"キー2の果物: {fruitName}"); // 出力: キー2の果物: バナナ
}

if (frozenDictionary.ContainsKey(3))
{
    Console.WriteLine($"キー3は存在します。値は {frozenDictionary[3]} です。"); // 出力: キー3は存在します。値は ミカン です。
}

// 4. 変更しようとすると…？
// frozenDictionary.Add(4, "ブドウ"); // これはコンパイルエラー！変更できません。
// frozenDictionary[1] = "赤いリンゴ"; // これもコンパイルエラー！

ToFrozenDictionary() Simplemente llamando a este método de extensión, puede crear rápidamente un diccionario congelado.TryGetValue や ContainsKey, Indexador (frozenDictionary[key]) para leer los datos. ¡Así de fácil!

FrozenSet Creación y uso

SiguienteFrozenSet Veamos un ejemplo de construcción a partir de una lista.

using System.Collections.Frozen; // これも必要！

// 1. まずは通常のListを用意 (HashSetからでもOK)
var regularList = new List<string> { "犬", "猫", "鳥", "犬" }; // "犬"が重複

// 2. ToFrozenSet() メソッドでフローズン化！
// 重複は自動的に除去されます (セットの性質)
var frozenSet = regularList.ToFrozenSet();

// 3. 要素の存在確認 (高速！)
if (frozenSet.Contains("猫"))
{
    Console.WriteLine("猫はセットに含まれています。"); // 出力: 猫はセットに含まれています。
}

if (!frozenSet.Contains("魚"))
{
    Console.WriteLine("魚はセットに含まれていません。"); // 出力: 魚はセットに含まれていません。
}

Console.WriteLine($"セットの要素数: {frozenSet.Count}"); // 出力: セットの要素数: 3 (重複が除去されたため)

// 4. 変更しようとすると…？
// frozenSet.Add("ハムスター"); // これもコンパイルエラー！変更できません。

ToFrozenSet() El método facilita la extracción de valores de varias colecciones, como listas y conjuntos hash. FrozenSet Puede ser hecho.Contains Los métodos le permiten comprobar rápidamente si un elemento determinado está incluido.

Comparación de rendimiento: ¿Son las colecciones congeladas realmente más rápidas?

Quizás te preguntes: "¿De verdad es tan rápido?". De hecho, existen resultados de pruebas de rendimiento que comparan varios tipos de colecciones y velocidades de lectura.

Por ejemplo, según un artículo de Infoworld (una de las fuentes de este artículo):FrozenSet son las mismas colecciones inmutables. ImmutableHashSet Búsqueda más rápida y potencialmente mutable HashSet Se dice que a veces puede mostrar un rendimiento de búsqueda más rápido queList Comparado con lo anterior la diferencia es clara.FrozenSet es abrumadoramente más rápidoで す.

En concreto, se observan las siguientes tendencias (aunque pueden variar ligeramente en función del número de elementos y del contenido de los datos):

• Velocidad de búsqueda (imagen de más rápida a más lenta):
  1. FrozenSet / FrozenDictionary (Muy rápido)
  2. HashSet / Dictionary (rápido)
  3. ImmutableHashSet / ImmutableDictionary (Bastante rápido)
  4. List (Cuanto más elementos haya, más lento será).

Sin embargo, hay algo que tener en cuenta: las colecciones congeladas optimizan su estructura interna al crearse para maximizar el rendimiento de lectura.El costo (tiempo y carga de CPU) de crear una colección es:HashSet Es un poco más caro que una colección mutable comoHay cosas

Por lo tanto, no es adecuado para datos que se "crean y destruyen con frecuencia".La Colección Frozen realmente brilla en un escenario en el que la creas una vez y luego sigues leyéndola.

Cómo utilizar la Colección Frozen: ¿En qué situaciones es útil?

Las colecciones congeladas son especialmente útiles en los siguientes casos:

• Datos de configuración de la aplicación:

  Es perfecto para almacenar valores de configuración que se cargan desde un archivo o base de datos al iniciar el programa y no cambian posteriormente (por ejemplo, URL de puntos finales de API, tiempos de espera, indicadores de funciones habilitadas, etc.).

• Datos maestros y tablas de búsqueda estática:

  Se trata de conjuntos de datos a los que se hace referencia con frecuencia pero que tienen un contenido fijo, como una tabla que muestra la correspondencia entre códigos de país y nombres de país, una tabla que muestra la correspondencia entre códigos postales y direcciones, y una tabla que muestra la correspondencia entre identificadores de categoría y nombres de categoría.

• Caché de solo lectura de acceso frecuente:

  Se puede utilizar cuando se desea almacenar en caché datos que no cambian durante un período de tiempo determinado una vez que se han obtenido, como resultados de cálculos o resultados obtenidos de una API externa, y acceder a ellos rápidamente.

• Listas de permitidos y prohibidos:

  Se trata de datos que requieren una rápida verificación de existencia para controles relacionados con la seguridad, como listas de direcciones IP permitidas, listas de palabras prohibidas, etc.

• Definición de máquinas de estados y patrones de comando:

  También son útiles para almacenar información estática que forma la base de la lógica operativa de un programa, como reglas de transición de un estado al siguiente o asignaciones de comandos de procesamiento a entradas específicas.

• Datos inmutables en un servicio singleton en una aplicación ASP.NET Core:

  Si un servicio registrado como singleton en el contenedor de inyección de dependencia (DI) contiene una colección de datos inmutable, las colecciones congeladas proporcionan acceso rápido a esos datos.

¿Cuándo debería usarse? ¿Cómo combinarlo con otras colecciones?

La Colección Frozen no es un producto universal. Es importante comprender sus características y combinarla adecuadamente con otras colecciones.

List<T> Cuándo utilizarlo:

El orden de los elementos es importante y conviene permitir duplicados. Los datos se añaden y eliminan con frecuencia, y la velocidad de búsqueda no es una preocupación importante.

Dictionary<TKey, TValue> や HashSet<T> Cuándo utilizarlo:

Cuando se requiere acceso rápido mediante clave o verificación rápida de existencia de elementos únicos, y los datos pueden cambiar con frecuencia, la seguridad de subprocesos es una consideración adicional.

ImmutableList<T>, ImmutableDictionary<TKey, TValue>, ImmutableHashSet<T> Cuándo utilizarlo:

Desea inmutabilidad de datos pero no necesita las optimizaciones extremas del rendimiento de lectura de las colecciones congeladas, o está satisfecho con crear una nueva instancia cada vez que realiza un cambio.

FrozenDictionary<TKey, TValue>, FrozenSet<T> Cuándo utilizarlo:

¡Éste es el punto más importante!

• DatosUna vez creado, nunca cambia.Eso
• Para esos datosEl acceso de lectura (especialmente las búsquedas) es muy frecuenteEso
• El coste de producción es aceptable, peroQuiero maximizar el rendimiento de lectura.Eso
• Quiero que la seguridad del hilo esté garantizada de forma natural.Eso

Cuando se cumplen estas condiciones la Colección Frozen rinde al máximo.

En caso de duda, pregúntese: "¿Existe la posibilidad de que estos datos hayan cambiado aunque sea una sola vez desde que los creé?" y "¿Con qué frecuencia tendré que buscar algo en estos datos?".

Precauciones y consideraciones: Cosas que debes saber antes de usar

Las colecciones congeladas son poderosas, pero hay algunas cosas que tener en cuenta:

• Costo de creación:

  Como se mencionó anteriormente, para optimizar el rendimiento de lectura, la creación puede tomar más tiempo que las colecciones normales, por lo que es mejor crearlas en un momento en el que tenga suficiente tiempo, como cuando se inicia la aplicación.

• Inmutabilidad completa:

  Realmente no puedes cambiar nada: si necesitas actualizar el contenido de los datos, debes destruir la colección congelada original y "recrearla" con los nuevos datos.

• Uso de memoria:

  Dependiendo de cómo optimice, es posible que el uso de memoria aumente ligeramente, pero en la mayoría de los casos, los beneficios de un mejor rendimiento de lectura lo compensan. La mejor manera de obtener cifras específicas es probarlo usted mismo en su aplicación.

• Se requiere .NET 8 o posterior:

  Esta característica se introdujo en .NET 8. No está disponible en versiones anteriores de .NET Framework o .NET Core, así que verifique el marco de destino de su proyecto.

Un poco de lo que dicen los expertos y el futuro de la Colección Frozen

Muchos desarrolladores y expertos de .NET han acogido con satisfacción la llegada de las colecciones congeladas. Suelen afirmar: "¡Contribuirán enormemente a mejorar el rendimiento de las aplicaciones con un uso intensivo de la lectura!". Su eficacia se ha presentado en el blog del equipo de Microsoft .NET y en artículos de opinión de reconocidos expertos en tecnología.

Las colecciones congeladas son una función relativamente nueva, introducida en .NET 8, pero la plataforma .NET está en constante evolución. Esperamos que en el futuro se añadan más mejoras de rendimiento y funciones útiles a toda la biblioteca de colecciones.

Preguntas frecuentes (FAQ) – ¡Resolviendo preguntas de principiantes!

P1: ¿Para qué tipo de datos se utilizan mejor las colecciones congeladas?

A1: Es ideal para datos que no cambian desde que se inicia la aplicación hasta que se cierra. Por ejemplo, los llamados "datos maestros" o "datos de configuración", como valores de configuración que no cambian una vez cargados, listas de países, listas de categorías de productos, etc. Resulta eficaz cuando estos datos se buscan con frecuencia.

Q2: ImmutableList や ImmutableHashSet と 、FrozenSet ¿Cuál es la mayor diferencia?

A2: Ambos son iguales en el sentido de que son inmutables (su contenido no cambia). La principal diferencia es...FrozenSet (や FrozenDictionary) se ha optimizado para maximizar el rendimiento de lectura (velocidad de búsqueda, etc.)Es un punto.ImmutableLas colecciones de este tipo también son inmutables y seguras,FrozenEs bueno recordar que el sistema está aún más especializado para la lectura.

P3: ¿Qué pasa si creo una colección congelada y luego decido que quiero agregar solo un dato más?

A3: Lamentablemente, no es posible agregar datos a una colección congelada posteriormente. Si necesita realizar cambios,"Recrear" la propia Colección Frozen añadiendo nuevos elementos a los datos originalesEs necesario tener en cuenta este “costo de recreación” y utilizarlo para datos que no cambiarán.

P4: ¿Qué versiones de .NET pueden utilizar colecciones congeladas?

A4: .NET 8 y posterioresEn la configuración de su proyecto, asegúrese de que el marco de destino esté configurado en .NET 8 o superior.

Q5: FrozenDictionary と FrozenSet ¿Tenéis otras colecciones de Frozen?

A5: A partir de .NET 2024 a principios de 8,System.Collections.Frozen El espacio de nombres principal proporcionado es este FrozenDictionary<TKey, TValue> と FrozenSet<T> Existen dos tipos de colecciones congeladas. Es posible que aparezcan nuevos tipos de colecciones congeladas en futuras actualizaciones de .NET.

Resumen: ¡La Colección Frozen hace que el desarrollo de aplicaciones sea más fácil!

En esta ocasión, explicaré la nueva función de .NET 8, "Colecciones congeladas", de forma sencilla, incluso para principiantes. Repasemos los puntos principales.

• La colección Frozen esUna vez creado, no se puede cambiar (inmutable)recopilación.
• En cambio,¡La lectura de datos (especialmente la búsqueda) es extremadamente rápida!
• FrozenDictionary と FrozenSet Hay dos tipos principales:
• Es extremadamente útil en escenarios donde los datos son fijos y se leen con mucha frecuencia.
• Es seguro para subprocesos, por lo que puedes acceder a él de forma segura desde múltiples procesos simultáneamente.

Las colecciones congeladas son una herramienta poderosa que, si se usan correctamente, puede mejorar considerablemente el rendimiento de tus aplicaciones. ¡Intenta encontrar maneras de usarlas en tus proyectos de C#/.NET Core!

Espero que este artículo te ayude en tus estudios de programación. Aprender nuevas tecnologías es emocionante, ¿verdad? Seguiré esforzándome por ofrecer explicaciones fáciles de entender, ¡así que no te lo pierdas!

Nota: Este artículo es solo informativo y no constituye una recomendación absoluta para ninguna tecnología en particular. Seleccione la tecnología más adecuada tras realizar pruebas y validaciones exhaustivas según los requisitos y las características de su proyecto.

Enlace relacionado

• Clase System.Collections.Frozen.FrozenDictionary (Microsoft Learn)
• Clase System.Collections.Frozen.FrozenSet (Microsoft Learn)
• Mejoras de rendimiento de .NET 8 (Blog de .NET) – También se menciona la colección Frozen.
• Cómo usar colecciones congeladas en C# (InfoWorld) - Más detalles técnicos y ejemplos de referencia disponibles.

Colecciones congeladas, C#, .NET Core, optimización del rendimiento, colecciones inmutables