基于数组实现的环形缓冲区：
优点
使用固定大小的连续空间做用户态缓冲区，利用了内存访问的局部性，可以提高缓存命中率，提高程序性能，在处理大量数据时，缓存的利用率对性能有着很大的影响
正是基于性能的考虑，使用数组做用户态缓冲区，同时由于固定的空间大小，在使用数组时需要精妙的存取方式，另外，可以使用stl的vacotr的设计思路，动态增长数组的大小，这里暂不做实现
先总结一下环形缓冲区（ringbuffer）的优点：
- 高效的内存管理： 环形缓冲区是由一块连续的内存区域组成的，这样可以减少内存碎片和内存分配的开销，提高内存管理的效率。
- 预先分配的内存： 因为环形缓冲区的大小是固定的，所以可以在系统启动时或者初始化时预先分配所需的内存，而不需要动态分配内存。这可以避免动态内存分配带来的性能开销和内存碎片问题。
- 简单的索引计算： 由于环形缓冲区的内存布局是连续的，所以索引计算非常简单和高效。相比之下，可变长链表等数据结构可能需要更复杂的指针操作和内存访问。
- 更好的缓存性能： 环形缓冲区的连续内存布局可以提高缓存的命中率，因为它利用了局部性原理，使得相关的数据项在内存中更可能是相邻存放的。
代码实现
环形缓冲区结构体：
typedef struct ringbuffer_s { uint32_t size; // 缓冲区数组的大小 uint32_t tail; // 尾部索引，即当前可用的数组位置索引 uint32_t head; // 头部索引，当前已使用的空间的起始位置索引 uint8_t * buf; // 实际缓冲区数组地址 } buffer_t;
其中 tail和head索引的设计 考虑到需要确定当前数组的空闲位置以及已使用的位置，便于添加新数据和取出数据
创建一个缓冲区：
buffer_t * buffer_new(uint32_t sz) { // 结构体和其成员的空间一起分配而不分别分配的原 因是 --> 利用局部性原理提高性能 buffer_t * buf = (buffer_t *)malloc(sizeof(buffer_t) + sz); // 结构体 + 缓冲区 if (!buf) { return NULL; } buf->size = sz; buf->head = buf->tail = 0; buf->buf = (uint8_t *)(buf + 1); // 可用缓冲区在结构体地址后 return buf; }
一个缓冲区的初始tail和head索引都是位于数组首部的
一些辅助函数：
static uint32_t rb_isempty(buffer_t *r) { // 缓冲区是否为空 return r->head == r->tail; } static uint32_t rb_isfull(buffer_t *r) { // 缓冲区是否已满 return r->size == (r->tail - r->head); } static uint32_t rb_len(buffer_t *r) { // 已使用空间 return r->tail - r->head; } static uint32_t rb_remain(buffer_t *r) { // 剩余空间 return r->size - r->tail + r->head; }
向缓冲区内添加数据：
int buffer_add(buffer_t *r, const void *data, uint32_t sz) { if (sz > rb_remain(r)) // 如果剩余空间不足，添加失败 return -1; // 如果tail到数组尾部的空间不足以容纳该数据，分段添加到尾部和头部 uint32_t i; i = min(sz, r->size - (r->tail & (r->size - 1))); // 计算将填入尾部的空间，最大是实际剩余空间 // 如果需要分两次填入，一部分填入尾部，一部分填入头部 memcpy(r->buf + (r->tail & (r->size - 1)), data, i); memcpy(r->buf, data+i, sz-i); r->tail = (r->tail + sz) % r->size; // 更新tail索引，可能移动到数组头部 return 0; }
环形缓冲区的添加操作使用了环绕索引，最大限度地利用有限的数组空间
从缓冲区中取出数据
int buffer_remove(buffer_t *r, void *data, uint32_t sz) { assert(!rb_isempty(r)); // 缓冲区为空，则移除失败 uint32_t i; sz = min(sz, r->tail - r->head); // 确保要移除的长度不超过已使用的空间 // 根据长度分次从尾部、头部移除 i = min(sz, r->size - (r->head & (r->size - 1))); memcpy(data, r->buf+(r->head & (r->size - 1)), i); memcpy(data+i, r->buf, sz-i); r->head = (r->head + actual_sz) % r->size; // 更新head，可能移动到数组头部 return sz; }
更新head的索引也用到了环绕的方法
删除一段数据：
int buffer_drain(buffer_t *r, uint32_t sz) { if (sz > rb_len(r)) // 最多全部删除 sz = rb_len(r); r->head = (r->head + sz) % r->size; // 更新索引，使用环绕的方法 return sz; }
获取当前最大可用空间的长度：
uint8_t *buffer_write_atmost(buffer_t *r) { uint32_t wpos = r->tail; uint32_t rpos = r->head; if (wpos >= rpos) { // Case 1: tail is ahead of or equal to head uint32_t first_chunk = r->size - wpos; // Space from tail to end of buffer uint32_t second_chunk = rpos; // Space from start of buffer to head return r->buf + wpos; } else { // Case 2: head is ahead of tail return r->buf + wpos; } }
buffer_write_atmost函数逻辑
- 如果
tail在head之前（即tail < head），则从tail到head之间的空间是可写的，大小为head - tail - 1。 - 如果
tail在head之后（即tail >= head），则从tail到缓冲区末尾的空间以及从缓冲区头部到head之间的空间都是可写的，需要分两段来计算最大可写空间，返回first_chunk + second_chunk - 1。head之前（即tail < head），则从tail到head之间的空间是可写的，大小为head - tail - 1。 - 如果
tail在head之后（即tail >= head），则从tail到缓冲区末尾的空间以及从缓冲区头部到head之间的空间都是可写的，需要分两段来计算最大可写空间，返回first_chunk + second_chunk - 1。
至此，已经实现了环形缓冲区的创建、添加、删除操作
