Ring Buffer (circular Buffer)环形缓冲区

1、环形缓冲区的实现原理

环形缓冲区通常有一个读指针和一个写指针。读指针指向环形缓冲区中可读的数据，写指针指向环形缓冲区中可写的缓冲区。通过移动读指针和写指针就可以实现缓冲区的数据读取和写入。在通常情况下，环形缓冲区的读用户仅仅会影响读指针，而写用户仅仅会影响写指针。如果仅仅有一个读用户和一个写用户，那么不需要添加互斥保护机制就可以保证数据的正确性。如果有多个读写用户访问环形缓冲区，那么必须添加互斥保护机制来确保多个用户互斥访问环形缓冲区。

图1、图2和图3是一个环形缓冲区的运行示意图。图1是环形缓冲区的初始状态，可以看到读指针和写指针都指向第一个缓冲区处；图2是向环形缓冲区中添加了一个数据后的情况，可以看到写指针已经移动到数据块2的位置，而读指针没有移动；图3是环形缓冲区进行了读取和添加后的状态，可以看到环形缓冲区中已经添加了两个数据，已经读取了一个数据。

 

2、实例：环形缓冲区的实现

环形缓冲区是数据通信程序中使用最为广泛的数据结构之一，下面的代码，实现了一个环形缓冲区：

/*ringbuf .c*/

＃include

    ＃include

#define NMAX 8

int iput = 0; /* 环形缓冲区的当前放入位置 */

int iget = 0; /* 缓冲区的当前取出位置 */

int n = 0; /* 环形缓冲区中的元素总数量 */

double buffer[NMAX];

/* 环形缓冲区的地址编号计算函数，如果到达唤醒缓冲区的尾部，将绕回到头部。

环形缓冲区的有效地址编号为：0到(NMAX-1)

*/

int addring (int i)

{

        return (i+1) == NMAX ? 0 : i+1;

}

/* 从环形缓冲区中取一个元素 */

double get（void）

{

int pos;

if (n>0){

                      Pos = iget;

                      iget = addring(iget);

                      n--;

                      return buffer[pos];

}

else {

printf(“Buffer is empty\n”);

return 0.0;

}

 

/* 向环形缓冲区中放入一个元素*/

void put(double z)

{

if (n<nmax){< span="" style="word-wrap: break-word;">

                      buffer[iput]=z;

                      iput = addring(iput);

                      n++;

}

else

printf(“Buffer is full\n”);

}

 

int main{void)

{

chat opera[5];

double z;

do {

printf(“Please input p|g|e?”);

scanf(“%s”, &opera);

               switch(tolower(opera[0])){

               case ‘p’: /* put */

                  printf(“Please input a float number?”);

                  scanf(“%lf”, &z);

                  put(z);

                  break;

case ‘g’: /* get */

                  z = get();

printf(“%8.2f from Buffer\n”, z);

break;

case ‘e’:

                  printf(“End\n”);

                  break;

default:

                  printf(“%s - Operation command error! \n”, opera);

}/* end switch */

}while(opera[0] != ’e’);

return 0;

}

 

在CAN通信卡设备驱动程序中，为了增强CAN通信卡的通信能力、提高通信效率，根据CAN的特点，使用两级缓冲区结构，即直接面向CAN通信卡的收发缓 冲区和直接面向系统调用的接收帧缓冲区。 通讯中的收发缓冲区一般采用环形队列（或称为FIFO队列），使用环形的缓冲区可以使得读写并发执行，读进程和写进程可以采用“生产者和消费者”的模型来 访问缓冲区，从而方便了缓存的使用和管理。然而，环形缓冲区的执行效率并不高，每读一个字节之前，需要判断缓冲区是否为空，并且移动尾指针时需要进行“折行处理”（即当指针指到缓冲区内存的末尾时，需要新将其定向到缓冲区的首地址）；每写一个字节之前，需要判断缓区是否为，并且移动尾指针时同样需要进行“ 折行处理”。程序大部分的执行过程都是在处理个别极端的情况。只有小部分在进行实际有效的操作。这就是软件工程中所谓的“8比2”关系。结合CAN通讯实际情况，在本设计中对环形队列进行了改进，可以较大地提高数据的收发效率。 由于CAN通信卡上接收和发送缓冲器每次只接收一帧CAN数据，而且根据CAN的通讯协议，CAN控制器的发送数据由1个字节的标识符、一个字节的RTR 和DLC位及8个字节的数据区组成，共10个字节；接收缓冲器与之类似，也有10个字节的寄存器。所以CAN控制器收的数据是短小的定长帧（数据可以不满 8字节）。 于是，采用度为10字节的数据块业分配内存比较方便，即每次需要内存缓冲区时，直接分配10个字节，由于这10个字节的地址是线性的，故不需要进行“折行”处理。更重要的是，在向缓冲区中写数据时，只需要判断一次是否有空闲块并获取其块首指针就可以了，从而减少了重复性的条件判断，大大提高了程序的执行效率；同样在从缓冲队列中读取数据时，也是一次读取10字节的数据块，同样减少了重复性的条件判断。 在CAN卡驱动程序中采用如下所示的称为“Block_Ring_t”的数据结构作为收发数据的缓冲区：

 

 

typedef struct {

long signature;

unsigned char *head_p;

unsigned char *tail_p;

unsigned char *begin_p;

unsigned char *end_p;

unsigned char buffer [BLOCK_RING_BUFFER_SIZE];

int usedbytes;

}Block_Ring_t;

 

 

该数据结构在通用的环形队列上增加了一个数据成员usedbytes，它表示当前缓冲区中有多少字节的空间被占用了。使用usedbytes，可以比较方 便地进行缓冲区满或空的判断。当usedbytes=0时，缓冲区空；当usedbytes=BLOCK_RING_BUFFER_SIZE时，缓冲区 满。 本驱动程序除了收发缓冲区外，还有一个接收帧缓冲区，接收帧队列负责管理经Hilon A协议解包后得到的数据帧。由于有可能要同接收多个数据帧，而根据CAN总线遥通信协议，高优先级的报文将抢占总线，则有可能在接收一个低优先级且被分为 好几段发送的数据帧时，被一个优先级高的数据帧打断。这样会出现同时接收到多个数据帧中的数据包，因而需要有个接收队列对同时接收的数据帧进行管理。 当有新的数据包到来时，应根据addr(通讯地址)，mode（通讯方式），index（数据包的序号）来判断是否是新的数据帧。如果是，则开辟新的 frame_node；否则如果已有相应的帧节点存地，则将数据附加到该帧的末尾；在插入数据的同时，应该检查接收包的序号是否正确，如不正确将丢弃这包 数据。 每次建立新的frame_node时，需要向frame_queue申请内存空间；当frame_queue已满时，释放掉队首的节点（最早接收的但未完成的帧）并返回该节点的指针。 当系统调用读取了接收帧后，释放该节点空间，使设备驱动程序可以重新使用该节点。

 

形缓冲区:环形缓冲队列学习

来源: 发布时间:星期四, 2008年9月25日 浏览:117次 评论:0

项目中需要线程之间共享一个缓冲FIFO队列，一个线程往队列中添数据，另一个线程取数据（经典的生产者-消费者问题）。开始考虑用STL的vector 容器, 但不需要随机访问，频繁的删除最前的元素引起内存移动，降低了效率。使用LinkList做队列的话，也需要频繁分配和释放结点内存。于是自己实现一个有 限大小的FIFO队列，直接采用数组进行环形读取。

队列的读写需要在外部进程线程同步（另外写了一个RWGuard类, 见另一文）

到项目的针对性简单性，实现了一个简单的环形缓冲队列，比STL的vector简单

PS: 第一次使用模板，原来类模板的定义要放在.h 文件中， 不然会出现连接错误。

template 
class CShareQueue 
{
public:
CShareQueue();
CShareQueue(unsigned int bufsize);
virtual ~CShareQueue();

_Type pop_front();
bool push_back( _Type item);
//返回容量
unsigned int capacity() { //warning:需要外部数据一致性
return m_capacity;
}
//返回当前个数
unsigned int size() { //warning:需要外部数据一致性
return m_size;
}
//是否满//warning: 需要外部控制数据一致性
bool IsFull() {
return (m_size >= m_capacity);
}

bool IsEmpty() {
return (m_size == 0);
}

protected:
UINT m_head;
UINT m_tail;
UINT m_size;
UINT m_capacity;
_Type *pBuf;

};

template 
CShareQueue<_Type>::CShareQueue() : m_head(0), m_tail(0), m_size(0)
{
pBuf = new _Type[512];//默认512
m_capacity = 512;
}

template 
CShareQueue<_Type>::CShareQueue(unsigned int bufsize) : m_head(0), m_tail(0)
{
if( bufsize > 512 || bufsize < 1)
{
pBuf = new _Type[512];
m_capacity = 512;
}
else
{
pBuf = new _Type[bufsize];
m_capacity = bufsize;
}
}

template 
CShareQueue<_Type>::~CShareQueue()
{
delete[] pBuf;
pBuf = NULL;
m_head = m_tail = m_size = m_capacity = 0;
}

//前面弹出一个元素
template 
_Type CShareQueue<_Type>::pop_front()
{
if( IsEmpty() )
{
return NULL;
}
_Type itemtmp;
itemtmp = pBuf[m_head];
m_head = (m_head + 1) % m_capacity;
--m_size;
return itemtmp;

}

//从尾部加入队列
template 
bool CShareQueue<_Type>::push_back( _Type item)
{
if ( IsFull() )
{
return FALSE;
}
pBuf[m_tail] = item;
m_tail = (m_tail + 1) % m_capacity;
++m_size;
return TRUE;
}

#endif // !defined(_DALY_CSHAREQUEUE_H_)

循环缓冲区在一些竞争问题上提供了一种免锁的机制，免锁的前提是，生产者和消费
 都只有一个的情况下，否则也要加锁。下面就内核中提取出来，而经过修改后的fifo进
 行简要的分析。
 
 先看其只要数据结构：
 struct my_fifo {
 unsignedchar *buffer;/* the buffer holding the data*/
 unsignedint size;/* the size of the allocated buffer*/
unsignedint in;/* data is added at offset (in % size)*/
 unsignedint out;/* data is extracted from off. (out % size)*/

}

也不用多说，一看就明白。size, in, out 都设成无符号型的，因为都不存在负值的情型。

 /*
 form kernel/kfifo.c
 */
 
 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <fifo.h>
 
 #define min(a,b) ((a) < (b) ? (a):(b))
 /*

my_fifo_init

 */

 struct my_fifo *my_fifo_init(unsignedchar *buffer,unsigned int size)
 {
 struct my_fifo *fifo;
 
 fifo = malloc(sizeof(struct my_fifo));
 if (!fifo)
 returnNULL;

 fifo->buffer = buffer;
 fifo->size = size;
 fifo->in = fifo->out = 0;

 return fifo;
 }
这个初始化fifo结构的函数一般也不会在应用层里进行调用，而是被下面的fifo_alloc
 调用。依我的观点来看，这两个函数合成一个函数会更加的清晰,但是这一情况只针对

buffer是系统开辟的空间，如果buffer的空间是由其它的函数来提供，就只能用上面的这个函数。

/*
 my_fifo_alloc
*/
 struct my_fifo *my_fifo_alloc(unsignedint size)
 {
 unsignedchar *buffer;
 struct my_fifo *ret;
 /*
 * round up to the next power of 2, since our 'let the indices
 * wrap' tachnique works only in this case.
 */
 
 buffer = malloc(size);
 if (!buffer)
 returnNULL;
 
 ret = my_fifo_init(buffer, size);
 
 if (ret ==NULL)
 free(buffer);
 
 return ret;
 }
 /*
 * my_fifo_free
 */
 void my_fifo_free(struct my_fifo *fifo)
 {
 free(fifo->buffer);
 free(fifo);
 }
 
 这两个函数也不作过多的分析，都很清晰。

 /*
 my_fifo_put()
 */
 unsignedint my_fifo_put(struct my_fifo *fifo,
 unsignedchar *buffer, unsigned int len)
 {
 unsignedint l;
 
 len = min(len, fifo->size - fifo->in + fifo->out);/*可能是缓冲区的空闲长度或者要写长度*/
 
 /* first put the data starting from fifo->in to buffer end*/
 l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size -1)));
 memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size -1)), buffer, l);
 
 /* then put the rest (if any) at the beginning of the buffer*/
 memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - l);
 
 fifo->in += len;
 
 return len;
 }

 
 /*
 my_fifo_get
 */
 unsignedint my_fifo_get(struct my_fifo *fifo,
 unsignedchar *buffer, unsigned int len)
 {
 unsignedint l;
 
 len = min(len, fifo->in - fifo->out); /*可读数据*/
 
 /* first get the data from fifo->out until the end of the buffer*/
 l = min(len, fifo->size - (fifo->out & (fifo->size -1)));
 memcpy(buffer, fifo->buffer + (fifo->out & (fifo->size -1)), l);
 
 /* then get the rest (if any) from the beginning of the buffer*/
 memcpy(buffer + l, fifo->buffer, len - l);
 
 fifo->out += len;
 
 return len;
 }
 这两个读写结构才是循环缓冲区的重点。在fifo结构中，size是缓冲区的大小，是由用
 户自己定义的，但是在这个设计当中要求它的大小必须是2的幂次。
 当in==out时，表明缓冲区为空的，当(in-out)==size 时，说明缓冲区已满。
 
 我们看下具体实现，在86行处如果size-in+out ==0,也即获得的len值会0，而没有数
 据写入到缓冲区中。所以在设计缓冲区的大小的时候要恰当，读出的速度要比定入的速
 度要快，否则缓冲区满了会使数据丢失，可以通过成功写入的反回值来做判断尝试再次
 写入.
 另一种情况则是缓冲区有足够的空间给要写入的数据，但是试想一下，如果空闲的空间
 在缓冲的首尾两次，这又是如何实现呢？这部分代码实现得非常巧妙。
 我们看fifo->in &(fifo->size-1) 这个表达式是什么意思呢？我们知道size是2的幂次
 项，那么它减1即表示其值的二进制所有位都为1，与in相与的最终结果是in%size,比
 size要小，所以看in及out的值都是不断地增加，但再相与操作后，它们即是以size为
 周期的一个循环。89行就是比较要写入的数据应该是多少，如果缓冲区后面的还有足够
 的空间可写，那么把全部的值写到后面，否则写满后面，再写到前面去93行。
 读数据也可以作类似的分析，108行表示请求的数据要比缓冲区的数据要大时，只
 读取缓冲区中可用的数据。
 
 staticinline void my_fifo_reset(struct my_fifo *fifo)
 {
 fifo->in = fifo->out = 0;
 }
 
 staticinline unsigned int my_fifo_len(struct my_fifo *fifo)

 return fifo->in - fifo->out;
 }
 在头文件里还有缓冲区置位及返回缓冲区中数据大小两个函数，很简单，不必解释

详见：http://home.eeworld.com.cn/my/space-uid-346593-blogid-239256.html