环形缓冲器

仪器设备

环形缓冲器（ringr buffer），也称作圆形队列（circular queue），循环缓冲区（cyclic buffer），圆形缓冲区（circula buffer），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。

简介

在通信程序中，经常使用环形缓冲器作为数据结构来存放通信中发送和接收的数据。环形缓冲区是一个先进先出的循环缓冲区，可以向通信程序提供对缓冲区的互斥访问。

用法

圆形缓冲区的一个有用特性是：当一个数据元素被用掉后，其余数据元素不需要移动其存储位置。相反，一个非圆形缓冲区（例如一个普通的队列）在用掉一个数据元素后，其余数据元素需要向前搬移。换句话说，圆形缓冲区适合实现先进先出缓冲区，而非圆形缓冲区适合后进先出缓冲区。

圆形缓冲区适合于事先明确了缓冲区的最大容量的情形。扩展一个圆形缓冲区的容量，需要搬移其中的数据。因此一个缓冲区如果需要经常调整其容量，用链表实现更为合适。

写操作覆盖圆形缓冲区中未被处理的数据在某些情况下是允许的。特别是在多媒体处理时。例如，音频的生产者可以覆盖掉声卡尚未来得及处理的音频数据。

工作过程

一个圆形缓冲区最初为空并有预定的长度。例如，这是一个具有七个元素空间的圆形缓冲区，其中底部的单线与箭头表示“头尾相接”形成一个圆形地址空间：

假定1被写入缓冲区中部（对于圆形缓冲区来说，最初的写入位置在哪里是无关紧要的）：

再写入2个元素，分别是2 & 3 — 被追加在1之后：

如果两个元素被处理，那么是缓冲区中最老的两个元素被移除。在本例中，1 & 2被移除，缓冲区中只剩下3:

如果缓冲区中有7个元素，则是满的：

如果缓冲区是满的，又要写入新的数据，一种策略是覆盖掉最老的数据。此例中，2个新数据— A & B — 写入，覆盖了3 & 4:

也可以采取其他策略，禁止覆盖缓冲区的数据，采取返回一个错误码或者抛出异常。最终，如果从缓冲区中移除2个数据，不是3 & 4 而是 5 & 6 。因为 A & B 已经覆盖了3 & 4：

圆形缓冲区工作机制

由于计算机内存是线性地址空间，因此圆形缓冲区需要特别的设计才可以从逻辑上实现。

读指针与写指针

一般的，圆形缓冲区需要4个指针：

读指针、写指针可以用整型值来表示。下例为一个未满的缓冲区的读写指针：

下例为一个满的缓冲区的读写指针：

区分缓冲区满或者空

缓冲区是满、或是空，都有可能出现读指针与写指针指向同一位置：

有多种策略用于检测缓冲区是满、或是空.

总是保持一个存储单元为空

缓冲区中总是有一个存储单元保持未使用状态。缓冲区最多存入个数据。如果读写指针指向同一位置，则缓冲区为空。如果写指针位于读指针的相邻后一个位置，则缓冲区为满。这种策略的优点是简单、鲁棒；缺点是语义上实际可存数据量与缓冲区容量不一致，测试缓冲区是否满需要做取余数计算。

使用数据计数

这种策略不使用显式的写指针，而是保持着缓冲区内存储的数据的计数。因此测试缓冲区是空是满非常简单；对性能影响可以忽略。缺点是读写操作都需要修改这个存储数据计数，对于多线程访问缓冲区需要并发控制。

镜像指示位

缓冲区的长度如果是n，逻辑地址空间则为至；那么，规定至为镜像逻辑地址空间。本策略规定读写指针的地址空间为至，其中低半部分对应于常规的逻辑地址空间，高半部分对应于镜像逻辑地址空间。当指针值大于等于时，使其折返（wrapped）到。使用一位表示写指针或读指针是否进入了虚拟的镜像存储区：置位表示进入，不置位表示没进入还在基本存储区。

在读写指针的值相同情况下，如果二者的指示位相同，说明缓冲区为空；如果二者的指示位不同，说明缓冲区为满。这种方法优点是测试缓冲区满/空很简单；不需要做取余数操作；读写线程可以分别设计专用算法策略，能实现精致的并发控制。缺点是读写指针各需要额外的一位作为指示位。

如果缓冲区长度是2的幂，则本方法可以省略镜像指示位。如果读写指针的值相等，则缓冲区为空；如果读写指针相差n，则缓冲区为满，这可以用条件表达式（写指针 == (读指针异或缓冲区长度)）来判断。

读写计数

用两个有符号整型变量分别保存写入、读出缓冲区的数据数量。其差值就是缓冲区中尚未被处理的有效数据的数量。这种方法的优点是读线程、写线程互不干扰；缺点是需要额外两个变量。

记录最后的操作

使用一位记录最后一次操作是读还是写。读写指针值相等情况下，如果最后一次操作为写入，那么缓冲区是满的；如果最后一次操作为读出，那么缓冲区是空。这种策略的缺点是读写操作共享一个标志位，多线程时需要并发控制。

POSIX优化实现

Linux内核的kfifo

在Linux内核文件kfifo.h和kfifo.c中，定义了一个先进先出圆形缓冲区实现。如果只有一个读线程、一个写线程，二者没有共享的被修改的控制变量，那么可以证明这种情况下不需要并发控制。kfifo就满足上述条件。kfifo要求缓冲区长度必须为2的幂。读、写指针分别是无符号整型变量。把读写指针变换为缓冲区内的索引值，仅需要“按位与”操作：（指针值按位与（缓冲区长度-1））。这避免了计算代价高昂的“求余”操作。且下述关系总是成立：读指针 + 缓冲区存储的数据长度 == 写指针

即使在写指针达到了无符号整型的上界，上溢出后写指针的值小于读指针的值，上述关系仍然保持成立（这是因为无符号整型加法的性质）。 kfifo的写操作，首先计算缓冲区中当前可写入存储空间的数据长度：len = min{待写入数据长度, 缓冲区长度 - （写指针 - 读指针）}然后，分两段写入数据。第一段是从写指针开始向缓冲区末尾方向；第二段是从缓冲区起始处写入余下的可写入数据，这部分可能数据长度为0即并无实际数据写入。

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