C#环形队列详解（从零开始掌握高效数据结构）

为什么使用环形队列？

• 节省内存：避免普通队列在出队后造成“前部空洞”
• 高效操作：入队和出队时间复杂度均为 O(1)
• 适合固定容量场景：如消息缓冲、生产者-消费者模型

C#环形队列实现步骤

我们将创建一个名为 CircularQueue<T> 的泛型类，支持以下核心功能：

• Enqueue(T item)：入队
• Dequeue()：出队
• Peek()：查看队首元素
• Count：当前元素数量
• IsFull / IsEmpty：判断队列状态

完整代码实现

using System;public class CircularQueue<T>{    private T[] _buffer;    private int _front;    private int _rear;    private int _size;    private readonly int _capacity;    public CircularQueue(int capacity)    {        if (capacity <= 0)            throw new ArgumentException("容量必须大于0", nameof(capacity));        _capacity = capacity;        _buffer = new T[_capacity];        _front = 0;        _rear = -1;        _size = 0;    }    public bool IsEmpty => _size == 0;    public bool IsFull => _size == _capacity;    public int Count => _size;    public void Enqueue(T item)    {        if (IsFull)            throw new InvalidOperationException("队列已满，无法入队");        _rear = (_rear + 1) % _capacity;        _buffer[_rear] = item;        _size++;    }    public T Dequeue()    {        if (IsEmpty)            throw new InvalidOperationException("队列为空，无法出队");        T item = _buffer[_front];        _front = (_front + 1) % _capacity;        _size--;        return item;    }    public T Peek()    {        if (IsEmpty)            throw new InvalidOperationException("队列为空");        return _buffer[_front];    }}

使用示例

下面是一个简单的使用演示，展示如何创建并操作环形队列：

class Program{    static void Main()    {        var queue = new CircularQueue<int>(3);        queue.Enqueue(10);        queue.Enqueue(20);        queue.Enqueue(30);        Console.WriteLine($"队列是否已满: {queue.IsFull}"); // True        Console.WriteLine(queue.Dequeue()); // 输出 10        Console.WriteLine(queue.Dequeue()); // 输出 20        queue.Enqueue(40); // 此时 rear 指向索引 0        while (!queue.IsEmpty)        {            Console.WriteLine(queue.Dequeue()); // 输出 30, 40        }    }}

关键点解析

1. 取模运算：通过 (_rear + 1) % _capacity 实现指针“绕回”数组开头，这是环形结构的核心。

2. 状态判断：使用 _size 而非仅靠 front == rear 来区分空与满，避免歧义。

3. 异常处理：对非法操作（如满队入队、空队出队）抛出明确异常，提升程序健壮性。

总结

通过本教程，你已经掌握了如何用C#实现一个高效的环形队列。这种数据结构在实际开发中非常有用，特别是在需要高性能缓冲的场景。建议你动手敲一遍代码，加深理解。

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