[common c/c++] ring buffer/circular buffer 环形队列/环形缓冲区

news2025/1/20 3:43:02

前言：

ring buffer / circular buffer 又名环形队列 / 环形缓冲区，其通过开辟固定尺寸的内存来实现反复复用同一块内存的目的。由于预先开辟了固定尺寸的内容，所以当数据满的时候，可以有两种处理方式，具体使用哪一种按照实际需求，具体如下：

1）当队列满的时候，新来的数据会覆盖最古老的数据，这种数据结构的特点是数据的写入不会因为队列满了而停止，同时也会导致旧数据的丢失，常用在一些对老旧数据不敏感的场景。如果数据很重要且不希望被丢弃，那么不要使用这种覆盖的模式，比如流媒体场景下，每一帧数据都要确保完整地被渲染出来，不然会出现跳帧和音画同步无法完成等问题，所以不适合这种模式。

2）当数据满的时候，block 或者禁止写入操作，直到队列有空间时再允许写入。这种模式下可以保证数据不被覆盖掉。

环形队列优势在于，不需要反复开辟(alloc)内存空间，可以反复复用同一块内存区域，这样避免了反复申请释放内存带来的时间开销和内存碎片化。

ps：下文以环形队列来代替 ring buffer / circular buffer / 环形缓冲区。

环形队列的最小可操作单位并不是固定的，可以是一个字节的内存空间，也可以是N个字节，或者是其他数据结构体类型的内存尺寸，这取决于环形队列最小单元的尺寸。比如 char ringbuffer[409600] 的环形队列，可操作的最小单位一般就是一个字节，long long ringbuffer[409600] 的环形队列，很可能就是按照8个字节作为一个最小粒度单元的。

下文中使用单位一次来指代环形队列的最小可操作元素，同样地一个步进单位也是指一次地址移动的步长。

设计思路：

环形队列的管理需要 4 个 index 值，队列开始处 start，队列结束处 end，已填充区域的头部 head，已填充区域的尾部 tail。因为环形队列是固定尺寸的缓冲区，所以一般情况下使用内存地址来表示者 4个 index。

start 和 end 表示开辟的固定内存空间的起始位置，用来限定整个环形队列可以游走的空间范围。start指向内存开始的地址，end指向内存结束的地址。

head 和 tail 反映已经写入数据的内存空间的起始位置，这里用反映而不是用表示是说明 head 和 tail 对于地址的表示和 start 和 end 有所不同。 head 指向下一次可写入地址的开始位置，注意这里是下一次可写入，而不是上一次写入的尾部。tail 指向已经写入区域的最老的内存单元的地址。head 指向的是未被写入的地址，tail指向的是已经被写入的地址。

几个重要的限定条件：

1）head index 只能指向未被写入的位置。

A ‘head’ index - the point at which the producer inserts items into the buffer.

2）tail index 可以指向任何位置。

A ‘tail’ index - the point at which the consumer finds the next item in the buffer.

3）队列满：当 head index 前进一个单位后等于 tail index 的时候，队列就满了，这个时候其实还剩余一个未被写入的单位，因为 head 永远是指向未被写入的单位。所以队列满等于 head + sizeof(element) = tail 。如果head 和 tail 是指针，那么 head + 1 = tail，因为指针加 1 会根据指针类型自动调节字节步长。

the buffer is full when the head pointer is one less than the tail pointer.

伪代码：

bool isempty(){

if(tail == head)

return true;

else

return false;

}

4）队列空：当 tail index 等于 head index 的时候，队列就空了。

Typically when the tail pointer is equal to the head pointer, the buffer is empty

伪代码：

bool isfull(){

if(tail == head+1)

return true;

else

return false;

}