数据结构—环形缓冲区

news2024/9/25 21:24:54

写在前面，2023年11月开始进入岗位，工作岗位是嵌入式软件工程师。2024年是上班的第一年的，希望今年收获满满，增长见闻。

数据结构—环形缓冲区

为什么要使用环形数组，环形数组比起原来的常规数组的优势是什么？

环形数组（Circular Array）是一种特殊类型的数组，其元素在内存中首尾相接，形成一个环形。环形数组具有一些独特的优势和用途，使其在某些应用场景中比常规数组更为适用。以下是一些使用环形数组的原因和优势：

空间利用率高：由于环形数组的元素在内存中是首尾相接的，因此不需要为数组的头部和尾部留出额外的空间。这使得环形数组的空间利用率比常规数组更高。

高效的数据访问：在环形数组中，可以通过简单的模运算来确定一个元素在数组中的位置。这使得数据访问操作更加高效。

连续的数据结构：环形数组保持了数据的连续性，这有助于提高数据访问的局部性，从而优化CPU缓存的性能。

避免数组越界问题：由于环形数组的特性，当索引超出数组的界限时，会自动回到数组的开头或结尾，避免了常规数组越界访问导致的错误。

循环队列和缓冲区实现：环形数组可以方便地实现循环队列或缓冲区，无需移动大量数据即可进行队首和队尾的添加与删除操作。

减少内存碎片：由于环形数组的连续存储特性，它可以更有效地利用内存空间，减少内存碎片的产生。
易于实现动态扩展：当需要增加更多元素时，环形数组可以通过简单地扩展现有数组的大小来实现动态扩展，而无需重新分配和复制原有数据。

c代码实现

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <stdbool.h>  
  
#define BUFFER_SIZE 5 // 定义环形缓冲区的大小  
  
typedef struct {  
    int buffer[BUFFER_SIZE]; // 缓冲区数组  
    int head; // 指向缓冲区中第一个元素的位置  
    int tail; // 指向缓冲区中下一个要写入元素的位置  
} CircularBuffer;  
  
// 初始化环形缓冲区  
void init_circular_buffer(CircularBuffer *cb) {  
    cb->head = 0;  
    cb->tail = 0;  
    for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {  
        cb->buffer[i] = 0; // 可以选择性地初始化缓冲区的内容  
    }  
}  
  
// 检查环形缓冲区是否为空  
bool is_circular_buffer_empty(CircularBuffer *cb) {  
    return cb->head == cb->tail && cb->buffer[cb->head] == 0; // 如果头和尾相等且头部元素为空，则认为缓冲区为空  
}  
  
// 检查环形缓冲区是否已满  
bool is_circular_buffer_full(CircularBuffer *cb) {  
    return (cb->tail + 1) % BUFFER_SIZE == cb->head; // 如果下一个要写入的位置是头部，则认为缓冲区已满  
}  
  
// 向环形缓冲区中插入一个元素  
bool insert_into_circular_buffer(CircularBuffer *cb, int value) {  
    if (is_circular_buffer_full(cb)) {  
        return false; // 缓冲区已满，无法插入新元素  
    }  
    cb->buffer[cb->tail] = value; // 在尾部插入新元素  
    cb->tail = (cb->tail + 1) % BUFFER_SIZE; // 更新尾部指针到下一个位置  
    return true; // 插入成功  
}  
  
// 从环形缓冲区中移除一个元素并返回它  
int remove_from_circular_buffer(CircularBuffer *cb) {  
    if (is_circular_buffer_empty(cb)) {  
        return -1; // 缓冲区为空，无法移除元素，返回错误代码或特殊值  
    }  
    int value = cb->buffer[cb->head]; // 获取头部元素的值  
    cb->buffer[cb->head] = 0; // 可选：将移除的元素置零（根据具体需求决定是否需要这一步）  
    cb->head = (cb->head + 1) % BUFFER_SIZE; // 更新头部指针到下一个位置  
    return value; // 返回被移除的元素值  
}  
  
int main() {  
    CircularBuffer cb; // 声明一个环形缓冲区变量  
    init_circular_buffer(&cb); // 初始化环形缓冲区  
      
    // 向缓冲区中插入一些元素并检查其状态  
    for (int i = 1; i <= 6; i++) { // 尝试插入6个元素，但缓冲区大小只有5，所以会有一个插入失败  
        if (!insert_into_circular_buffer(&cb, i)) {  
            printf("Failed to insert element %d because the buffer is full.\n", i);  
        }  
    }  
      
    // 从缓冲区中移除一些元素并打印它们的值  
    for (int i = 0; i < 6; i++) { // 尝试移除6个元素，但只插入了5个，所以会有一个移除返回特殊值（这里是-1）  
        int value = remove_from_circular_buffer(&cb);  
        if (value == -1) {  
            printf("Failed to remove element because the buffer is empty.\n");  
        } else {  
            printf("Removed element: %d\n", value);  
        }  
    }  
      
    return 0;  
}