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C# 队列（Queue）（超详细）

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前言

在编程世界中，队列（Queue）是一种常见的数据结构，它模拟了现实生活中“先进先出”（FIFO, First-In-First-Out）的场景。无论是超市收银台前的排队、操作系统任务调度，还是网络请求的处理，队列都扮演着关键角色。本文将从基础概念出发，结合代码示例和实际场景，深入讲解 C# 队列（Queue） 的实现、特性及应用方法，帮助读者快速掌握这一核心工具。

一、队列的基本概念与类比

1.1 什么是队列？

队列是一种线性数据结构，遵循 先进先出 的原则。想象一个超市的收银台：第一位顾客进入队列，最后一位顾客离开。队列的两个核心操作是：

  • Enqueue：将元素添加到队列的末尾（入队）。
  • Dequeue：从队列的前端移除元素（出队）。

1.2 队列与栈的对比

队列与栈（Stack）类似，但操作方向相反：

  • 栈：遵循“后进先出”（LIFO），类似叠放盘子，取最后一个放进去的。
  • 队列：遵循“先进先出”，类似排队买票，先到者先被服务。

1.3 C# 中的队列实现

C# 提供了 Queue<T> 类（位于 System.Collections.Generic 命名空间），专门用于实现队列功能。此外，.NET 还提供了 ConcurrentQueue<T>，用于多线程环境下的安全操作。

二、Queue 的核心操作与代码示例

2.1 创建与初始化

使用 Queue<T> 需要指定泛型类型，例如：

Queue<int> numberQueue = new Queue<int>();
Queue<string> stringQueue = new Queue<string>();

2.2 基础操作方法

2.2.1 Enqueue（入队）

numberQueue.Enqueue(10);
numberQueue.Enqueue(20);
// 队列内容：[10, 20]

2.2.2 Dequeue（出队）

int firstItem = numberQueue.Dequeue(); // firstItem 的值为 10
// 出队后队列内容：[20]

2.2.3 Peek（查看队首元素）

int frontItem = numberQueue.Peek(); // frontItem 的值为 20
// 队列内容未改变：[20]

2.2.4 Count 属性

int count = numberQueue.Count; // count 的值为 1

2.3 完整示例代码

using System;
using System.Collections.Generic;

class Program
{
    static void Main()
    {
        Queue<string> taskQueue = new Queue<string>();
        
        // 入队操作
        taskQueue.Enqueue("处理订单");
        taskQueue.Enqueue("发送邮件");
        taskQueue.Enqueue("生成报告");
        
        Console.WriteLine("当前队列长度：" + taskQueue.Count); // 输出 3
        
        // 出队并处理任务
        while (taskQueue.Count > 0)
        {
            string task = taskQueue.Dequeue();
            Console.WriteLine("正在处理任务：" + task);
        }
    }
}

三、队列的高级特性与应用场景

3.1 扩展操作：ToArray 和 CopyTo

3.1.1 ToArray

将队列内容转换为数组：

string[] tasksArray = taskQueue.ToArray();

3.1.2 CopyTo

将队列内容复制到数组的指定位置：

string[] buffer = new string[taskQueue.Count];
taskQueue.CopyTo(buffer, 0);

3.2 队列的典型应用场景

3.2.1 任务调度

在多线程环境中，队列可用于管理待执行的任务，例如：

Queue<Action> taskQueue = new Queue<Action>();
taskQueue.Enqueue(() => Console.WriteLine("任务1"));
taskQueue.Enqueue(() => Console.WriteLine("任务2"));
// 启动线程逐个执行队列中的任务

3.2.2 缓存与缓冲

在网络编程中，队列可用于缓冲接收到的数据包，避免直接处理大量数据：

Queue<byte[]> dataBuffer = new Queue<byte[]>();
// 接收数据包时 Enqueue，处理时 Dequeue

四、性能与线程安全

4.1 时间复杂度分析

操作平均时间复杂度
EnqueueO(1)
DequeueO(1)
PeekO(1)
ContainsO(n)

4.2 线程安全问题

Queue<T> 是非线程安全的。在多线程环境下，应使用 ConcurrentQueue<T>：

ConcurrentQueue<int> safeQueue = new ConcurrentQueue<int>();
safeQueue.Enqueue(100); // 线程安全的入队操作
int dequeuedItem;
bool success = safeQueue.TryDequeue(out dequeuedItem); // 返回是否成功

五、队列的扩展与优化

5.1 自定义队列实现

若需自定义队列行为（例如限制容量），可通过继承 Queue<T> 或手动实现：

public class BoundedQueue<T> : Queue<T>
{
    private readonly int _capacity;
    
    public BoundedQueue(int capacity) => _capacity = capacity;
    
    public new void Enqueue(T item)
    {
        if (Count >= _capacity)
            throw new InvalidOperationException("队列已满");
        base.Enqueue(item);
    }
}

5.2 优先队列（Priority Queue）

虽然 Queue<T> 不直接支持优先级，但可通过 SortedList 或第三方库（如 System.Collections.PriorityQueue）实现：

// 使用 SortedList 实现简单优先队列
SortedList<int, string> priorityQueue = new SortedList<int, string>();
priorityQueue.Add(1, "高优先级任务");
priorityQueue.Add(2, "中优先级任务");

六、常见问题与解决方案

6.1 为什么 Dequeue 可能抛出异常？

当队列为空时调用 Dequeue 或 Peek，会抛出 InvalidOperationException。解决方案包括：

if (taskQueue.Count > 0)
{
    string task = taskQueue.Dequeue();
    // 处理任务
}

6.2 如何遍历队列？

由于队列的 FIFO 特性，遍历通常需结合 Peek 和 Dequeue：

while (taskQueue.Count > 0)
{
    string task = taskQueue.Dequeue();
    Console.WriteLine(task);
    // 若需保留队列内容，需重新 Enqueue
    taskQueue.Enqueue(task);
}

结论

通过本文，我们系统地学习了 C# 队列（Queue） 的核心概念、操作方法及应用场景。从基础的 Enqueue 和 Dequeue，到多线程环境下的 ConcurrentQueue<T>，再到优先队列的实现技巧，队列不仅是算法与数据结构的基础，更是解决实际问题的重要工具。

对于开发者而言，掌握队列的使用不仅能提升代码的效率和可维护性，还能在任务调度、缓冲处理等场景中发挥关键作用。建议读者通过实际项目中的队列应用（如消息队列、任务队列）进一步巩固知识，并探索其与栈、优先队列等结构的结合使用场景。

通过不断实践和优化，队列将成为你编程工具箱中不可或缺的利器。

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