環形緩衝區 Ring Buffer 的實現

環形緩衝區（Circular Buffer 或 Ring Buffer）是一種數據結構，它在邏輯上形成一個閉環。這種結構非常適用於需要固定大小的緩衝區的情況，如音頻處理、網路通信、實時數據傳輸等。環形緩衝區的主要特點和用途包括：

固定大小：環形緩衝區的大小在創建時確定，並且在其生命周期內保持不變。

高效的數據插入和移除：在環形緩衝區中添加或移除元素（通常是在頭部添加，在尾部移除）是非常高效的，因為這些操作不需要移動緩衝區中的其他元素。

迴圈覆蓋：當緩衝區填滿時，新添加的元素將覆蓋最早添加的元素。這使得環形緩衝區非常適用於處理流式數據，其中只關心最近的數據。

無需動態記憶體分配：由於環形緩衝區的大小是固定的，因此在初始化後不需要額外的記憶體分配。

下麵是C#中一個泛型環形緩衝區的實現

// LiteRingBuffer 是一個泛型類，用於存儲類型為 T 的數據
public class LiteRingBuffer<T> : IEnumerable<T>
{

    // _elements 數組用於存儲環形緩衝區的元素
    private readonly T[] _elements;

    // _start 和 _end 分別表示緩衝區中第一個和最後一個元素的索引
    private int _start;
    private int _end;

    // _count 表示緩衝區中當前元素的數量
    private int _count;

    // _capacity 表示緩衝區的最大容量
    private readonly int _capacity;
    
    // 索引器，用於訪問緩衝區中的元素。它將索引 i 映射到環形緩衝區的正確位置
    public T this[int i] => _elements[(_start + i) % _capacity];

    // 構造函數，初始化環形緩衝區的大小
    public LiteRingBuffer(int count)
    {
        _elements = new T[count];
        _capacity = count;
    }

    // Add 方法用於向緩衝區添加新元素
    public void Add(T element)
    {
        if(_count == _capacity)
            throw new ArgumentException(); // 如果緩衝區已滿，則拋出異常
        _elements[_end] = element; // 將元素添加到_end指向的位置
        _end = (_end + 1) % _capacity; // 更新_end索引
        _count++; // 增加元素數量
    }

    // FastClear 方法用於快速清空緩衝區
    public void FastClear()
    {
        _start = 0;
        _end = 0;
        _count = 0;
    }

    // Count 屬性返回緩衝區中的元素數量
    public int Count => _count;

    // First 屬性返回緩衝區中的第一個元素
    public T First => _elements[_start];

    // Last 屬性返回緩衝區中的最後一個元素
    public T Last => _elements[(_start+_count-1)%_capacity];

    // IsFull 屬性指示緩衝區是否已滿
    public bool IsFull => _count == _capacity;

    // RemoveFromStart 方法從緩衝區的開始移除指定數量的元素
    public void RemoveFromStart(int count)
    {
        if(count > _capacity || count > _count)
            throw new ArgumentException(); // 如果請求移除的元素數量不合法，則拋出異常
        _start = (_start + count) % _capacity; // 更新_start索引
        _count -= count; // 減少元素數量
    }

    // GetEnumerator 方法提供了遍歷緩衝區的方法
    public IEnumerator<T> GetEnumerator()
    {
        int counter = _start;
        while (counter != _end)
        {
            yield return _elements[counter];
            counter = (counter + 1) % _capacity;
        }           
    }

    // IEnumerable 介面的實現，用於集合的迭代
    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
    {
        return GetEnumerator();
    }
}