Fila de tamanho fixo que desenfila automaticamente os valores antigos em novos enques

Estou usando ConcurrentQueuepara uma estrutura de dados compartilhada cujo propósito é manter os últimos N objetos passados ​​para ela (tipo de histórico).

Suponha que temos um navegador e queremos os últimos 100 URLs navegados. Eu quero uma fila que descarta (desenfileira) automaticamente a entrada mais antiga (primeira) na inserção de uma nova entrada (enfileirar) quando a capacidade ficar cheia (100 endereços no histórico).

Como posso fazer isso usando System.Collections?

Eu escreveria uma classe de wrapper que, no Enqueue, verificaria a contagem e, em seguida, removeria da fila quando a contagem ultrapassar o limite.

 public class FixedSizedQueue<T>
 {
     ConcurrentQueue<T> q = new ConcurrentQueue<T>();
     private object lockObject = new object();

     public int Limit { get; set; }
     public void Enqueue(T obj)
     {
        q.Enqueue(obj);
        lock (lockObject)
        {
           T overflow;
           while (q.Count > Limit && q.TryDequeue(out overflow)) ;
        }
     }
 }

Eu escolheria uma pequena variante ... estender ConcurrentQueue para poder usar extensões Linq em FixedSizeQueue

public class FixedSizedQueue<T> : ConcurrentQueue<T>
{
    private readonly object syncObject = new object();

    public int Size { get; private set; }

    public FixedSizedQueue(int size)
    {
        Size = size;
    }

    public new void Enqueue(T obj)
    {
        base.Enqueue(obj);
        lock (syncObject)
        {
            while (base.Count > Size)
            {
                T outObj;
                base.TryDequeue(out outObj);
            }
        }
    }
}

Para quem o achar útil, aqui está um código de trabalho baseado na resposta de Richard Schneider acima:

public class FixedSizedQueue<T>
{
    readonly ConcurrentQueue<T> queue = new ConcurrentQueue<T>();

    public int Size { get; private set; }

    public FixedSizedQueue(int size)
    {
        Size = size;
    }

    public void Enqueue(T obj)
    {
        queue.Enqueue(obj);

        while (queue.Count > Size)
        {
            T outObj;
            queue.TryDequeue(out outObj);
        }
    }
}

Para saber o que vale, aqui está um buffer circular leve com alguns métodos marcados para uso seguro e não seguro.

public class CircularBuffer<T> : IEnumerable<T>
{
    readonly int size;
    readonly object locker;

    int count;
    int head;
    int rear;
    T[] values;

    public CircularBuffer(int max)
    {
        this.size = max;
        locker = new object();
        count = 0;
        head = 0;
        rear = 0;
        values = new T[size];
    }

    static int Incr(int index, int size)
    {
        return (index + 1) % size;
    }

    private void UnsafeEnsureQueueNotEmpty()
    {
        if (count == 0)
            throw new Exception("Empty queue");
    }

    public int Size { get { return size; } }
    public object SyncRoot { get { return locker; } }

    #region Count

    public int Count { get { return UnsafeCount; } }
    public int SafeCount { get { lock (locker) { return UnsafeCount; } } }
    public int UnsafeCount { get { return count; } }

    #endregion

    #region Enqueue

    public void Enqueue(T obj)
    {
        UnsafeEnqueue(obj);
    }

    public void SafeEnqueue(T obj)
    {
        lock (locker) { UnsafeEnqueue(obj); }
    }

    public void UnsafeEnqueue(T obj)
    {
        values[rear] = obj;

        if (Count == Size)
            head = Incr(head, Size);
        rear = Incr(rear, Size);
        count = Math.Min(count + 1, Size);
    }

    #endregion

    #region Dequeue

    public T Dequeue()
    {
        return UnsafeDequeue();
    }

    public T SafeDequeue()
    {
        lock (locker) { return UnsafeDequeue(); }
    }

    public T UnsafeDequeue()
    {
        UnsafeEnsureQueueNotEmpty();

        T res = values[head];
        values[head] = default(T);
        head = Incr(head, Size);
        count--;

        return res;
    }

    #endregion

    #region Peek

    public T Peek()
    {
        return UnsafePeek();
    }

    public T SafePeek()
    {
        lock (locker) { return UnsafePeek(); }
    }

    public T UnsafePeek()
    {
        UnsafeEnsureQueueNotEmpty();

        return values[head];
    }

    #endregion


    #region GetEnumerator

    public IEnumerator<T> GetEnumerator()
    {
        return UnsafeGetEnumerator();
    }

    public IEnumerator<T> SafeGetEnumerator()
    {
        lock (locker)
        {
            List<T> res = new List<T>(count);
            var enumerator = UnsafeGetEnumerator();
            while (enumerator.MoveNext())
                res.Add(enumerator.Current);
            return res.GetEnumerator();
        }
    }

    public IEnumerator<T> UnsafeGetEnumerator()
    {
        int index = head;
        for (int i = 0; i < count; i++)
        {
            yield return values[index];
            index = Incr(index, size);
        }
    }

    System.Collections.IEnumerator System.Collections.IEnumerable.GetEnumerator()
    {
        return this.GetEnumerator();
    }

    #endregion
}

Gosto de usar a Foo()/SafeFoo()/UnsafeFoo()convenção:

• Foométodos chamam UnsafeFoocomo padrão.
• UnsafeFoo métodos modificam o estado livremente sem um bloqueio, eles devem apenas chamar outros métodos não seguros.
• SafeFoométodos chamam UnsafeFoométodos dentro de um bloqueio.

É um pouco prolixo, mas comete erros óbvios, como chamar métodos inseguros fora de um bloqueio em um método que deveria ser thread-safe, mais aparentes.

Aqui está minha opinião sobre a fila de tamanho fixo

Ele usa a fila regular, para evitar a sobrecarga de sincronização quando a Countpropriedade é usada ConcurrentQueue. Ele também implementa IReadOnlyCollectionpara que os métodos LINQ possam ser usados. O resto é muito semelhante às outras respostas aqui.

[Serializable]
[DebuggerDisplay("Count = {" + nameof(Count) + "}, Limit = {" + nameof(Limit) + "}")]
public class FixedSizedQueue<T> : IReadOnlyCollection<T>
{
    private readonly Queue<T> _queue = new Queue<T>();
    private readonly object _lock = new object();

    public int Count { get { lock (_lock) { return _queue.Count; } } }
    public int Limit { get; }

    public FixedSizedQueue(int limit)
    {
        if (limit < 1)
            throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(limit));

        Limit = limit;
    }

    public FixedSizedQueue(IEnumerable<T> collection)
    {
        if (collection is null || !collection.Any())
           throw new ArgumentException("Can not initialize the Queue with a null or empty collection", nameof(collection));

        _queue = new Queue<T>(collection);
        Limit = _queue.Count;
    }

    public void Enqueue(T obj)
    {
        lock (_lock)
        {
            _queue.Enqueue(obj);

            while (_queue.Count > Limit)
                _queue.Dequeue();
        }
    }

    public void Clear()
    {
        lock (_lock)
            _queue.Clear();
    }

    public IEnumerator<T> GetEnumerator()
    {
        lock (_lock)
            return new List<T>(_queue).GetEnumerator();
    }

    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
    {
        return GetEnumerator();
    }
}

Apenas por diversão, aqui está outra implementação que, acredito, aborda a maioria das preocupações dos comentadores. Em particular, thread-safety é alcançada sem bloqueio e a implementação é oculta pela classe de empacotamento.

public class FixedSizeQueue<T> : IReadOnlyCollection<T>
{
  private ConcurrentQueue<T> _queue = new ConcurrentQueue<T>();
  private int _count;

  public int Limit { get; private set; }

  public FixedSizeQueue(int limit)
  {
    this.Limit = limit;
  }

  public void Enqueue(T obj)
  {
    _queue.Enqueue(obj);
    Interlocked.Increment(ref _count);

    // Calculate the number of items to be removed by this thread in a thread safe manner
    int currentCount;
    int finalCount;
    do
    {
      currentCount = _count;
      finalCount = Math.Min(currentCount, this.Limit);
    } while (currentCount != 
      Interlocked.CompareExchange(ref _count, finalCount, currentCount));

    T overflow;
    while (currentCount > finalCount && _queue.TryDequeue(out overflow))
      currentCount--;
  }

  public int Count
  {
    get { return _count; }
  }

  public IEnumerator<T> GetEnumerator()
  {
    return _queue.GetEnumerator();
  }

  System.Collections.IEnumerator System.Collections.IEnumerable.GetEnumerator()
  {
    return _queue.GetEnumerator();
  }
}

Minha versão é apenas uma subclasse das normais Queue.. nada de especial, mas vendo todos participando e ainda acompanha o título do tópico, posso muito bem colocá-lo aqui. Ele também retorna os desenfileirados apenas no caso.

public sealed class SizedQueue<T> : Queue<T>
{
    public int FixedCapacity { get; }
    public SizedQueue(int fixedCapacity)
    {
        this.FixedCapacity = fixedCapacity;
    }

    /// <summary>
    /// If the total number of item exceed the capacity, the oldest ones automatically dequeues.
    /// </summary>
    /// <returns>The dequeued value, if any.</returns>
    public new T Enqueue(T item)
    {
        base.Enqueue(item);
        if (base.Count > FixedCapacity)
        {
            return base.Dequeue();
        }
        return default;
    }
}

Vamos adicionar mais uma resposta. Por que isso em vez de outros?

1) Simplicidade. Tentar garantir que o tamanho é bom e bom, mas leva a uma complexidade desnecessária que pode apresentar seus próprios problemas.

2) Implementa IReadOnlyCollection, o que significa que você pode usar o Linq nele e passá-lo para uma variedade de coisas que esperam o IEnumerable.

3) Sem bloqueio. Muitas das soluções acima usam bloqueios, o que é incorreto em uma coleção sem bloqueio.

4) Implementa o mesmo conjunto de métodos, propriedades e interfaces que ConcurrentQueue faz, incluindo IProducerConsumerCollection, que é importante se você deseja usar a coleção com BlockingCollection.

Essa implementação pode potencialmente terminar com mais entradas do que o esperado se TryDequeue falhar, mas a frequência dessa ocorrência não parece valer um código especializado que inevitavelmente prejudicará o desempenho e causará seus próprios problemas inesperados.

Se você realmente deseja garantir um tamanho, implementar um Prune () ou método semelhante parece ser a melhor ideia. Você poderia usar um bloqueio de leitura ReaderWriterLockSlim nos outros métodos (incluindo TryDequeue) e obter um bloqueio de gravação apenas durante a remoção.

class ConcurrentFixedSizeQueue<T> : IProducerConsumerCollection<T>, IReadOnlyCollection<T>, ICollection {
    readonly ConcurrentQueue<T> m_concurrentQueue;
    readonly int m_maxSize;

    public int Count => m_concurrentQueue.Count;
    public bool IsEmpty => m_concurrentQueue.IsEmpty;

    public ConcurrentFixedSizeQueue (int maxSize) : this(Array.Empty<T>(), maxSize) { }

    public ConcurrentFixedSizeQueue (IEnumerable<T> initialCollection, int maxSize) {
        if (initialCollection == null) {
            throw new ArgumentNullException(nameof(initialCollection));
        }

        m_concurrentQueue = new ConcurrentQueue<T>(initialCollection);
        m_maxSize = maxSize;
    }

    public void Enqueue (T item) {
        m_concurrentQueue.Enqueue(item);

        if (m_concurrentQueue.Count > m_maxSize) {
            T result;
            m_concurrentQueue.TryDequeue(out result);
        }
    }

    public void TryPeek (out T result) => m_concurrentQueue.TryPeek(out result);
    public bool TryDequeue (out T result) => m_concurrentQueue.TryDequeue(out result);

    public void CopyTo (T[] array, int index) => m_concurrentQueue.CopyTo(array, index);
    public T[] ToArray () => m_concurrentQueue.ToArray();

    public IEnumerator<T> GetEnumerator () => m_concurrentQueue.GetEnumerator();
    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator () => GetEnumerator();

    // Explicit ICollection implementations.
    void ICollection.CopyTo (Array array, int index) => ((ICollection)m_concurrentQueue).CopyTo(array, index);
    object ICollection.SyncRoot => ((ICollection) m_concurrentQueue).SyncRoot;
    bool ICollection.IsSynchronized => ((ICollection) m_concurrentQueue).IsSynchronized;

    // Explicit IProducerConsumerCollection<T> implementations.
    bool IProducerConsumerCollection<T>.TryAdd (T item) => ((IProducerConsumerCollection<T>) m_concurrentQueue).TryAdd(item);
    bool IProducerConsumerCollection<T>.TryTake (out T item) => ((IProducerConsumerCollection<T>) m_concurrentQueue).TryTake(out item);

    public override int GetHashCode () => m_concurrentQueue.GetHashCode();
    public override bool Equals (object obj) => m_concurrentQueue.Equals(obj);
    public override string ToString () => m_concurrentQueue.ToString();
}

Só porque ninguém disse isso ainda ... você pode usar um LinkedList<T>e adicionar o thread de segurança:

public class Buffer<T> : LinkedList<T>
{
    private int capacity;

    public Buffer(int capacity)
    {
        this.capacity = capacity;   
    }

    public void Enqueue(T item)
    {
        // todo: add synchronization mechanism
        if (Count == capacity) RemoveLast();
        AddFirst(item);
    }

    public T Dequeue()
    {
        // todo: add synchronization mechanism
        var last = Last.Value;
        RemoveLast();
        return last;
    }
}

Uma coisa a ser observada é que a ordem de enumeração padrão será LIFO neste exemplo. Mas isso pode ser substituído, se necessário.

Para seu prazer de codificação, apresento a você o ' ConcurrentDeck'

public class ConcurrentDeck<T>
{
   private readonly int _size;
   private readonly T[] _buffer;
   private int _position = 0;

   public ConcurrentDeck(int size)
   {
       _size = size;
       _buffer = new T[size];
   }

   public void Push(T item)
   {
       lock (this)
       {
           _buffer[_position] = item;
           _position++;
           if (_position == _size) _position = 0;
       }
   }

   public T[] ReadDeck()
   {
       lock (this)
       {
           return _buffer.Skip(_position).Union(_buffer.Take(_position)).ToArray();
       }
   }
}

Exemplo de uso:

void Main()
{
    var deck = new ConcurrentDeck<Tuple<string,DateTime>>(25);
    var handle = new ManualResetEventSlim();
    var task1 = Task.Factory.StartNew(()=>{
    var timer = new System.Timers.Timer();
    timer.Elapsed += (s,a) => {deck.Push(new Tuple<string,DateTime>("task1",DateTime.Now));};
    timer.Interval = System.TimeSpan.FromSeconds(1).TotalMilliseconds;
    timer.Enabled = true;
    handle.Wait();
    }); 
    var task2 = Task.Factory.StartNew(()=>{
    var timer = new System.Timers.Timer();
    timer.Elapsed += (s,a) => {deck.Push(new Tuple<string,DateTime>("task2",DateTime.Now));};
    timer.Interval = System.TimeSpan.FromSeconds(.5).TotalMilliseconds;
    timer.Enabled = true;
    handle.Wait();
    }); 
    var task3 = Task.Factory.StartNew(()=>{
    var timer = new System.Timers.Timer();
    timer.Elapsed += (s,a) => {deck.Push(new Tuple<string,DateTime>("task3",DateTime.Now));};
    timer.Interval = System.TimeSpan.FromSeconds(.25).TotalMilliseconds;
    timer.Enabled = true;
    handle.Wait();
    }); 
    System.Threading.Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(10));
    handle.Set();
    var outputtime = DateTime.Now;
    deck.ReadDeck().Select(d => new {Message = d.Item1, MilliDiff = (outputtime - d.Item2).TotalMilliseconds}).Dump(true);
}

Bem, depende do uso que eu percebi que algumas das soluções acima podem exceder o tamanho quando usadas em um ambiente multip-threaded. De qualquer forma, meu caso de uso era exibir os últimos 5 eventos e há vários threads gravando eventos na fila e um outro thread lendo a partir dele e exibindo-os em um controle Winform. Então essa foi a minha solução.

EDITAR: Como já usamos o bloqueio em nossa implementação, não precisamos realmente do ConcurrentQueue, ele pode melhorar o desempenho.

class FixedSizedConcurrentQueue<T> 
{
    readonly Queue<T> queue = new Queue<T>();
    readonly object syncObject = new object();

    public int MaxSize { get; private set; }

    public FixedSizedConcurrentQueue(int maxSize)
    {
        MaxSize = maxSize;
    }

    public void Enqueue(T obj)
    {
        lock (syncObject)
        {
            queue.Enqueue(obj);
            while (queue.Count > MaxSize)
            {
                queue.Dequeue();
            }
        }
    }

    public T[] ToArray()
    {
        T[] result = null;
        lock (syncObject)
        {
            result = queue.ToArray();
        }

        return result;
    }

    public void Clear()
    {
        lock (syncObject)
        {
            queue.Clear();
        }
    }
}

EDIT: Nós realmente não precisamos syncObjectno exemplo acima e podemos preferir usar o queueobjeto, uma vez que não estamos reinicializando queueem nenhuma função e está marcado como de readonlyqualquer maneira.

A resposta aceita terá efeitos colaterais evitáveis.

Os links abaixo são referências que usei quando escrevi meu exemplo abaixo.

Embora a documentação da Microsoft seja um pouco enganosa, pois eles usam um bloqueio, eles bloqueiam as classes de segmento. As próprias classes de segmento usam Interlocked.

using System;
using System.Collections.Concurrent;
using System.Collections.Generic;

namespace Lib.Core
{
    // Sources: 
    // https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/collections/thread-safe/
    // https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.threading.interlocked?view=netcore-3.1
    // https://github.com/dotnet/runtime/blob/master/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Collections/Concurrent/ConcurrentQueue.cs
    // https://github.com/dotnet/runtime/blob/master/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Collections/Concurrent/ConcurrentQueueSegment.cs

    /// <summary>
    /// Concurrent safe circular buffer that will used a fixed capacity specified and resuse slots as it goes.
    /// </summary>
    /// <typeparam name="TObject">The object that you want to go into the slots.</typeparam>
    public class ConcurrentCircularBuffer<TObject>
    {
        private readonly ConcurrentQueue<TObject> _queue;

        public int Capacity { get; private set; }

        public ConcurrentCircularBuffer(int capacity)
        {
            if(capacity <= 0)
            {
                throw new ArgumentException($"The capacity specified '{capacity}' is not valid.", nameof(capacity));
            }

            // Setup the queue to the initial capacity using List's underlying implementation.
            _queue = new ConcurrentQueue<TObject>(new List<TObject>(capacity));

            Capacity = capacity;
        }

        public void Enqueue(TObject @object)
        {
            // Enforce the capacity first so the head can be used instead of the entire segment (slow).
            while (_queue.Count + 1 > Capacity)
            {
                if (!_queue.TryDequeue(out _))
                {
                    // Handle error condition however you want to ie throw, return validation object, etc.
                    var ex = new Exception("Concurrent Dequeue operation failed.");
                    ex.Data.Add("EnqueueObject", @object);
                    throw ex;
                }
            }

            // Place the item into the queue
            _queue.Enqueue(@object);
        }

        public TObject Dequeue()
        {
            if(_queue.TryDequeue(out var result))
            {
                return result;
            }

            return default;
        }
    }
}

Aqui está outra implementação que usa o ConcurrentQueue subjacente tanto quanto possível, enquanto fornece as mesmas interfaces disponibilizadas por meio do ConcurrentQueue.

/// <summary>
/// This is a FIFO concurrent queue that will remove the oldest added items when a given limit is reached.
/// </summary>
/// <typeparam name="TValue"></typeparam>
public class FixedSizedConcurrentQueue<TValue> : IProducerConsumerCollection<TValue>, IReadOnlyCollection<TValue>
{
    private readonly ConcurrentQueue<TValue> _queue;

    private readonly object _syncObject = new object();

    public int LimitSize { get; }

    public FixedSizedConcurrentQueue(int limit)
    {
        _queue = new ConcurrentQueue<TValue>();
        LimitSize = limit;
    }

    public FixedSizedConcurrentQueue(int limit, System.Collections.Generic.IEnumerable<TValue> collection)
    {
        _queue = new ConcurrentQueue<TValue>(collection);
        LimitSize = limit;

    }

    public int Count => _queue.Count;

    bool ICollection.IsSynchronized => ((ICollection) _queue).IsSynchronized;

    object ICollection.SyncRoot => ((ICollection)_queue).SyncRoot; 

    public bool IsEmpty => _queue.IsEmpty;

    // Not supported until .NET Standard 2.1
    //public void Clear() => _queue.Clear();

    public void CopyTo(TValue[] array, int index) => _queue.CopyTo(array, index);

    void ICollection.CopyTo(Array array, int index) => ((ICollection)_queue).CopyTo(array, index);

    public void Enqueue(TValue obj)
    {
        _queue.Enqueue(obj);
        lock( _syncObject )
        {
            while( _queue.Count > LimitSize ) {
                _queue.TryDequeue(out _);
            }
        }
    }

    public IEnumerator<TValue> GetEnumerator() => _queue.GetEnumerator();

    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() => ((IEnumerable<TValue>)this).GetEnumerator();

    public TValue[] ToArray() => _queue.ToArray();

    public bool TryAdd(TValue item)
    {
        Enqueue(item);
        return true;
    }

    bool IProducerConsumerCollection<TValue>.TryTake(out TValue item) => TryDequeue(out item);

    public bool TryDequeue(out TValue result) => _queue.TryDequeue(out result);

    public bool TryPeek(out TValue result) => _queue.TryPeek(out result);

}

Esta é minha versão da fila:

public class FixedSizedQueue<T> {
  private object LOCK = new object();
  ConcurrentQueue<T> queue;

  public int MaxSize { get; set; }

  public FixedSizedQueue(int maxSize, IEnumerable<T> items = null) {
     this.MaxSize = maxSize;
     if (items == null) {
        queue = new ConcurrentQueue<T>();
     }
     else {
        queue = new ConcurrentQueue<T>(items);
        EnsureLimitConstraint();
     }
  }

  public void Enqueue(T obj) {
     queue.Enqueue(obj);
     EnsureLimitConstraint();
  }

  private void EnsureLimitConstraint() {
     if (queue.Count > MaxSize) {
        lock (LOCK) {
           T overflow;
           while (queue.Count > MaxSize) {
              queue.TryDequeue(out overflow);
           }
        }
     }
  }


  /// <summary>
  /// returns the current snapshot of the queue
  /// </summary>
  /// <returns></returns>
  public T[] GetSnapshot() {
     return queue.ToArray();
  }
}

Acho útil ter um construtor baseado em um IEnumerable e acho útil ter um GetSnapshot para ter uma lista segura multithread (array, neste caso) dos itens no momento da chamada, que não sobe erros se a coleção subjacente for alterada.

A verificação de contagem dupla serve para evitar o bloqueio em algumas circunstâncias.