Queue در سی شارپ چیست؟

 مقدمه

در دنیای برنامه‌نویسی، یکی از مهم‌ترین چالش‌ها مدیریت داده‌ها به ترتیب درست است.

خیلی وقت‌ها لازم داریم داده‌ها دقیقاً به همان ترتیبی که وارد سیستم شده‌اند پردازش شوند؛ نه جلوتر، نه عقب‌تر.

اینجاست که ساختار داده‌ای به نام Queue (صف) وارد می‌شود.

Queue در سی شارپ یکی از پرکاربردترین ساختارهای داده است که بر اساس منطق ساده اما قدرتمند FIFO (First In, First Out) کار می‌کند؛ یعنی «اولین داده‌ای که وارد صف می‌شود، اولین داده‌ای است که خارج می‌شود».

 صف (Queue) چیست؟

صف یا Queue یکی از ساده‌ترین و در عین حال مهم‌ترین ساختارهای داده در برنامه‌نویسی است که بر اساس یک منطق بسیار طبیعی کار می‌کند: داده‌ها به همان ترتیبی که وارد می‌شوند، از سیستم خارج می‌شوند.

این ساختار دقیقاً شبیه صف‌های واقعی در زندگی روزمره است؛ مثل صف خرید بلیت، صف بانک یا صف نانوایی که نفر اول همیشه زودتر از بقیه سرویس می‌گیرد.

در دنیای برنامه‌نویسی نیز Queue همین رفتار را پیاده‌سازی می‌کند و باعث می‌شود پردازش اطلاعات منظم، قابل پیش‌بینی و بدون بی‌نظمی انجام شود.

 چرا Queue مهم است؟

اهمیت Queue فقط در سادگی آن نیست، بلکه در این است که بسیاری از سیستم‌های نرم‌افزاری بدون صف عملاً قابل پیاده‌سازی نیستند.

هر جا که ترتیب ورود داده‌ها اهمیت داشته باشد و لازم باشد پردازش‌ها به صورت منظم انجام شوند، Queue به یکی از پایه‌های اصلی طراحی سیستم تبدیل می‌شود.

 مهم‌ترین کاربردهای Queue

قبل از بررسی موارد، باید بدانیم Queue فقط یک مفهوم آموزشی نیست، بلکه به صورت مستقیم در معماری نرم‌افزارهای واقعی استفاده می‌شود و نقش حیاتی در عملکرد درست آن‌ها دارد:

•  سیستم‌های نوبت‌دهی آنلاین و حضوری

•  مدیریت درخواست کاربران در سرورها

•  صف چاپ در سیستم‌های پرینت

•  پردازش پیام‌ها در سیستم‌های پیام‌رسان

•  اجرای Taskها در پردازش‌های پس‌زمینه

•  مدیریت رویدادها در بازی‌ها و اپلیکیشن‌ها

به طور خلاصه، هر جا که اولویت با ترتیب ورود باشد، Queue بهترین و منطقی‌ترین انتخاب است.

 Queue در سی شارپ (#C) چیست؟

در زبان سی شارپ، Queue به صورت یک کلاس آماده در کتابخانه‌های اصلی دات‌نت پیاده‌سازی شده تا برنامه‌نویسان بتوانند بدون نیاز به نوشتن کد پیچیده، به راحتی از ساختار صف استفاده کنند.

این کلاس در فضای نام `System.Collections.Generic` قرار دارد و به صورت جنریک طراحی شده است؛ یعنی می‌توان نوع داده دلخواه را برای عناصر صف مشخص کرد.

ساختار کلی Queue در #C به شکل `Queue<T>` تعریف می‌شود که در آن `T` نشان‌دهنده نوع داده‌ای است که قرار است در صف ذخیره شود؛ مثل `int`، `string` یا حتی کلاس‌های سفارشی.

این طراحی باعث می‌شود کد هم امن‌تر از نظر نوع داده باشد و هم خوانایی و عملکرد بهتری داشته باشد.

 خصوصیات و ویژگی‌های Queue

قبل از ورود به متدها، مهم است ویژگی‌های اصلی Queue را بشناسیم تا دقیق بفهمیم چه زمانی باید از آن استفاده کنیم.

 ویژگی‌های کلیدی Queue

•  ساختار FIFO

•  اضافه شدن فقط از انتهای صف

•  حذف فقط از ابتدای صف

•  عدم دسترسی مستقیم به عناصر وسط

•  سرعت بالا در افزودن و حذف (O(1))

ایجاد و تعریف Queue در سی شارپ

اولین قدم، ساخت یک صف است.

Queue<int> numbers = new Queue<int>();

یا برای رشته:

Queue<string> users = new Queue<string>();

 افزودن عناصر به صف (Enqueue)

برای اضافه کردن عنصر به صف از متد `()Enqueue` استفاده می‌کنیم.

 مثال ساده

Queue<string> queue = new Queue<string>();

queue.Enqueue("Ali");
queue.Enqueue("Sara");
queue.Enqueue("Reza");

حالا ترتیب صف:

Ali

Sara

Reza

 حذف عناصر از صف (Dequeue)

برای حذف اولین عنصر صف از متد `Dequeue()` استفاده می‌شود.

string first = queue.Dequeue();
Console.WriteLine(first); // Ali

حالا صف:

Sara

Reza

 مشاهده اولین عنصر بدون حذف (Peek)

گاهی فقط می‌خواهیم بدانیم چه کسی اول صف است، بدون اینکه حذف شود.

string first = queue.Peek();

 بررسی خالی بودن صف (مدیریت صف‌های خالی)

یکی از مهم‌ترین نکات در کار با Queue این است که اگر صف خالی باشد و `()Dequeue` یا `()Peek` صدا زده شود، برنامه کرش می‌کند.

if(queue.Count > 0)
{
    queue.Dequeue();
}

و یا این کد

if(queue.Any())
{
    queue.Dequeue();
}

 تعداد عناصر صف (Count)

برای گرفتن تعداد عناصر کافی است از این کد استفاده کنید.

int count = queue.Count;

پاک کردن کامل صف (Clear)

queue.Clear();

مثال پروژه محور

فرض کن یک سیستم نوبت‌دهی دارید.

Queue<string> ticketQueue = new Queue<string>();

ticketQueue.Enqueue("Customer 1");
ticketQueue.Enqueue("Customer 2");
ticketQueue.Enqueue("Customer 3");

while(ticketQueue.Count > 0)
{
    string current = ticketQueue.Dequeue();
    Console.WriteLine("Serving: " + current);
}

خروجی

Serving: Customer 1

Serving: Customer 2

Serving: Customer 3

 Queue در پردازش Taskها

در بسیاری از سیستم‌ها، Taskها در صف قرار می‌گیرند.

Queue<Action> tasks = new Queue<Action>();

tasks.Enqueue(() => Console.WriteLine("Task 1"));
tasks.Enqueue(() => Console.WriteLine("Task 2"));

while(tasks.Count > 0)
{
    var task = tasks.Dequeue();
    task();
}

مدیریت خطا در Queue

در کار با Queue، یکی از مهم‌ترین نکات جلوگیری از بروز خطا در زمان حذف یا خواندن عناصر است، چون در صورت خالی بودن صف، متدهای معمول می‌توانند باعث کرش برنامه شوند.

مدیریت درست خطا باعث می‌شود برنامه پایدارتر، امن‌تر و قابل اعتمادتر اجرا شود.
 روش های امن  استفاده از دستور است.

if(queue.TryDequeue(out string result))
{
    Console.WriteLine(result);
}

 بهترین پروژه‌های استفاده از Queue

Queue زمانی بیشترین ارزش را دارد که ترتیب ورود داده‌ها مستقیماً روی منطق پردازش تأثیر بگذارد.

در چنین شرایطی، استفاده از صف باعث می‌شود سیستم رفتار قابل پیش‌بینی، منظم و بدون خطای منطقی داشته باشد و از به‌هم‌ریختگی پردازش جلوگیری شود.

در این مثال از صف ایمن برای پردازش پیام استفاده شده است:

•  مدیریت درخواست API

•  پردازش لاگ‌ها

•  سیستم چت

•  صف ایمیل

•  موتور بازی

•  سیستم سفارش فروشگاه

 اشتباهات رایج در استفاده از Queue

با رعایت همین موارد ساده و راحت می‌توانید از  عملکرد بهتری داشته باشید

•  استفاده از Queue برای دسترسی تصادفی

•  عدم بررسی خالی بودن صف

•  استفاده از Queue غیرجنریک

•  استفاده نادرست در multi-thread بدون lock

Queue در برنامه‌های چندنخی (Thread Safe)

در برنامه‌هایی که چند نخ به صورت همزمان با داده‌ها کار می‌کنند، موضوع امنیت داده بسیار مهم می‌شود.

Queue معمولی برای چنین محیط‌هایی طراحی نشده و اگر چند Thread همزمان به آن دسترسی داشته باشند، احتمال بروز خطا و ناسازگاری داده وجود دارد.
برای محیط‌های چندنخی بهتر است از:

ConcurrentQueue<T>

استفاده شود.

مثال  کاربردی: سیستم پردازش پیام

در سیستم‌های واقعی مثل پیام‌رسان‌ها یا صف پردازش درخواست‌ها، معمولاً داده‌ها باید به صورت همزمان توسط چند بخش سیستم مصرف شوند.

در چنین سناریوهایی، استفاده از صف ایمن باعث می‌شود پیام‌ها بدون تداخل و با ترتیب صحیح پردازش شوند.

در این مثال از صف ایمن برای پردازش پیام استفاده شده است:

•  وقتی نیاز به دسترسی تصادفی داری

•  وقتی نیاز به اولویت‌بندی داری (بهتر: PriorityQueue)

•  وقتی نیاز به جستجوی سریع داری (بهتر: Dictionary)

در این مثال از صف ایمن برای پردازش پیام استفاده شده است:

ConcurrentQueue<string> messages = new ConcurrentQueue<string>();

messages.Enqueue("Message 1");
messages.Enqueue("Message 2");

if(messages.TryDequeue(out string msg))
{
    Console.WriteLine(msg);
}

پرسش‌های Queue در سی شارپ چیست؟ 

1. آیا Queue برای چند نخ امن است؟

خیر، باید از ConcurrentQueue استفاده شود.

2. اگر صف خالی باشد و Dequeue بزنیم چه می‌شود؟

Exception رخ می‌دهد.

نتیجه‌گیری

Queue در سی شارپ یکی از بنیادی‌ترین و در عین حال قدرتمندترین ساختارهای داده است.

اگر با مفاهیم صف آشنا باشی، می‌توانی سیستم‌هایی بسازی که: مقیاس‌پذیر باشند، پایدار باشند و
 قابل اعتماد باشند و  دقیقاً مثل سیستم‌های واقعی رفتار کنند.