ring buffer

概述

ring buffer称作环形缓冲区，也称作环形队列（circular queue），是一种用于表示一个固定尺寸、头尾相连的缓冲区的数据结构，适合缓存数据流。

使用场景

在任务间的通信、串口数据收发、log缓存、网卡处理网络数据包、音频/视频流处理中均有环形缓冲区（ring buffer） 的应用。在RT-Thread的ringbuffer.c和ringbuffer.h文件中，Linux内核文件kfifo.h和kfifo.c中也有环形缓冲区（ring buffer）的代码实现。

特点

• 适合于事先明确了缓冲区的最大容量的情形。缓冲区的容量（长度）一般固定，可以用一个静态数组来充当缓冲区，无需重复申请内存；
• 如果缓冲区的大小需要经常调整，就不适合用环形缓冲区，因为在扩展缓冲区大小时，需要搬移其中的数据，这种场合使用链表更加合适；

实现

一般的，对一个环形缓冲区进行读写操作，最少需要4个信息：

• 在内存中的实际开始位置（例如：一片内存的头指针，数组的第一个元素指针）；
• 在内存中的实际结束位置（也可以是缓冲区实际空间大小，结合开始位置，可以算出结束位置）；
• 在缓冲区中进行写操作时的写索引值；
• 在缓冲区中进行读操作时的读索引值。

缓冲区开始位置和缓冲区结束位置（或空间大小） 实际上定义了环形缓冲区的实际逻辑空间和大小。读索引和写索引标记了缓冲区进行读操作和写操作时的具体位置。

struct rt_ringbuffer
{
    rt_uint8_t *buffer_ptr;
    rt_uint16_t read_mirror : 1;
    rt_uint16_t read_index : 15;
    rt_uint16_t write_mirror : 1;
    rt_uint16_t write_index : 15;
    rt_int16_t buffer_size;
};
struct kfifo {
	unsigned char *buffer;	/* the buffer holding the data */
	unsigned int size;	/* the size of the allocated buffer */
	unsigned int in;	/* data is added at offset (in % size) */
	unsigned int out;	/* data is extracted from off. (out % size) */
	spinlock_t *lock;	/* protects concurrent modifications */
};

总结

• 环形缓冲区（ring buffer）适合于事先明确了缓冲区的最大容量的情形。缓冲区的容量（长度）一般固定，可以用一个静态数组来充当缓冲区，无需重复申请内存；
• 如果缓冲区的大小需要经常调整，就不适合用环形缓存区，因为在扩展缓冲区大小时，需要搬移其中的数据，这种场合使用链表更加合适；
• 因为缓冲区成头尾相连的环形，写操作可能会覆盖未及时读取的数据，有的场景允许这种情况发生，有的场景又严格限制这种情况发生。选择何种策略和具体应用场景相关；
• 环形缓冲区（ring buffer）特别适合于通信双方循环发送数据的场景；
• 镜像指示位是一种高效判断缓冲区是否为空或满的策略，在RT-Thread和linux中都使用了该策略（或者是该策略的扩展），其能够保证在只有一个读线程（或进程）和一个写线程（或进程）中无需锁也能做到线程安全；
• 注意区分写指针和写索引，读指针和读索引，最终对缓冲区进行操作还是需要写索引和读索引；
• 如果自己嵌入式项目中需要使用环形缓冲区（ring buffer），可以借鉴linux 2.6版本的kfifo实现，很容易改写，而且非常高效。