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第29章 改进型环形缓冲区

29.1 基本概念

环形缓冲区是一个先进先出（FIFO）的闭环的存储空间。通俗的理解为，在内存中规划了一块“圆形”的地，将该“圆形”进行N（Ring Buffer的大小）等分，如下图所示：

但是实际上，处理器的内存不可能是这样一个闭环的存储方式，而是一片连续的，有起始有结束的空间：

开发者在程序中只能申请一段有头有尾的内存，通过软件设计将这片内存实现为一个环形的缓冲区。

一般而言，对于环形缓冲区的操作需要了解几个基本单位：

• 内存起始地址pHead
• 内存结束地址pEnd
• 内存总大小Length
• 可写内存起始地址pwStart
• 可写内存大小wLength
• 可读内存起始地址prStart
• 可读内存大小rLength

可以发现这几个单位中是存在算术关系的：

①

②

③

将②式换算下，以可写内存大小为结果：

将可读的数据称作有效数据valid data，可读的起始内存地址叫有效数据起始地址pValid，可读的数据个数叫有效数据个数pValidLength。而可写的内存，位于有效数据之后，称之为pValidEnd：

基于以上信息，就可以将环形缓冲区的信息抽象为结构体RingBufferInfo：

typedef struct RingBuffInfo{unsigned char *pHead;unsigned char *pEnd;    unsigned char *pValid;    unsigned char *pValidEnd; unsigned int  nBufferLength;unsigned int  nValidLength;   
}RingBuffInfo;

由于可写的数据个数是可以通过缓冲区大小nBufferLength和有效数据个数nValidLength计算得到，因而未将其封装到RingBufferInfo结构体中。

对于环形缓冲区，主要的操作有：申请和释放空间，读写数据、清除数据。将这些操作方法和缓冲区信息一起封装为结构体RingBuffer：

typedef struct RingBuffer{RingBuffInfo info;int         (*Write)(struct RingBuffer *ptbuf, const unsigned char *src, unsigned int length);int         (*Read)(struct RingBuffer *ptbuf, unsigned char *dst, unsigned int length);int         (*Clear)(struct RingBuffer *ptbuf);int         (*Free)(struct RingBuffer *ptbuf);struct RingBuffer *next;
}RingBuffer;

第07行的链表，用来管理多个环形缓冲区：把它们放在一个链表里。

29.2 申请缓冲区

先申请一个RingBuffer结构体，再申请存储数据的空间，最后初始化。代码如下：

struct RingBuffer *RingBufferNew(unsigned int length)
{struct RingBuffer *ptbuf;if(0 == length)     return NULL;ptbuf = (struct RingBuffer*)malloc(sizeof(struct RingBuffer));if(NULL == ptbuf)   return NULL;if(NULL != ptbuf->info.pHead){free(ptbuf->info.pHead);}ptbuf->info.pHead = (uint8_t*)malloc(length);if(NULL == ptbuf->info.pHead) {printf("Error. Malloc %d bytes failed.\r\n", length);return -EIO;}ptbuf->info.pValid = ptbuf->info.pValidEnd = ptbuf->info.pHead;ptbuf->info.pEnd = ptbuf->info.pHead + length;ptbuf->info.nValidLength = 0;ptbuf->info.nBufferLength = length;ptbuf->Write = RingBufferWrite;ptbuf->Read = RingBufferRead;ptbuf->Clear = RingBufferClear;ptbuf->Free = RingBufferFree;return ptbuf;
}

• 第06行：使用C库函数malloc申请一个RingBuffer结构体；
• 第12行：分配存储数据的内存；
• 第18~21行：初始化缓冲区的信息；
• 第23~26行：填充操作函数；

29.3 释放缓冲区

先是否数据存储空间，再释放RingBuffer结构体本身。代码如下：

static int RingBufferFree(struct RingBuffer *ptbuf)
{if(ptbuf == NULL)           return -EINVAL;if(ptbuf->info.pHead==NULL) return -EINVAL;free((uint8_t*)ptbuf->info.pHead);ptbuf->info.pHead = NULL;ptbuf->info.pValid = NULL;ptbuf->info.pValidEnd = NULL;ptbuf->info.pEnd = NULL;ptbuf->info.nValidLength = 0;free((struct RingBuffer *)ptbuf);return ESUCCESS;
}

29.4 写数据到缓冲区

往缓冲区中写入数据需要考虑三个点：

• 剩下的空间是否足够？
• 超过空间的数据是丢还是留？
• 写入数据时如果越界了，就需要缓冲器的头部继续写

如果从pValidEnd开始写入数据不会超过缓冲区的结束地址，那么直接从pValidEnd处开始写入数据即可：

如果从pValidEnd开始写入数据会超过缓冲区的结束地址，那么就需要考虑很多：

• 计算从pValidEnd开始到pEnd可以写入多少个数据
• 还剩多少个数据需要从pHead处开始写
• 计算从pHead开始到pValid可以写入多少个数据，是否足够写入剩下的数据；不够的话如何处理？

在本书实验例程中，如果出现了剩余空间不足以容纳新数据时，就用新数据覆盖旧数据：

在这个过程中，有效数据的起始地址和结束地址，以及有效数据的个数，需要随着数据的写入跟着变化，这些数据的计算结合示意图可谓一目了然，此处就不再列出计算公式了。

如果缓冲区的剩余空间足够容纳新数据，那么写操作比较简单。代码如下：

static int RingBufferWrite(struct RingBuffer *ptbuf, const unsigned char *src, unsigned int length)
{......（省略内容）// copy buffer to pValidEndif( (ptbuf->info.pValidEnd + length) > ptbuf->info.pEnd )  // 超过了Buffer范围需要分为两段{len1 = (unsigned)(ptbuf->info.pEnd - ptbuf->info.pValidEnd);len2 = length - len1;memcpy((uint8_t*)ptbuf->info.pValidEnd, src, len1);memcpy((uint8_t*)ptbuf->info.pHead, src + len1, len2);ptbuf->info.pValidEnd = ptbuf->info.pHead + len2;   // 更新有效数据区尾地址}else{memcpy((uint8_t*)ptbuf->info.pValidEnd, src, length);ptbuf->info.pValidEnd = ptbuf->info.pValidEnd + length;}......（省略内容）
}

如果缓冲区的剩余空间不足以容纳新数据，在使用新数据覆盖老数据时，涉及的计算比较繁琐，代码如下：

static int RingBufferWrite(struct RingBuffer *ptbuf, const unsigned char *src, unsigned int length)
{......（省略内容）// 重新计算已使用区的起始位置if( (ptbuf->info.nValidLength + length) > ptbuf->info.nBufferLength )     // 要写入的数据超过了缓冲区总长度，分为两段写{move_len = ptbuf->info.nValidLength + length - ptbuf->info.nBufferLength;if( (ptbuf->info.pValid + move_len) > ptbuf->info.pEnd ){len1 = (unsigned)(ptbuf->info.pEnd - ptbuf->info.pValid);len2 = move_len - len1;ptbuf->info.pValid = ptbuf->info.pHead + len2;}else{ptbuf->info.pValid = ptbuf->info.pValid + move_len;}ptbuf->info.nValidLength = ptbuf->info.nBufferLength;}else{ptbuf->info.nValidLength = ptbuf->info.nValidLength + length;}return (int)length;
}

29.5 从缓冲区读数据

相比于写数据，读数据的操作就简单了许多。读数据时，从pValid处开始读，如果越过了pEnd，需要从pHead继续读取剩下的数据：

而如果从pValid处读取的数据个数不会越过pEnd，那么直接读出即可：

环形缓冲区的读函数代码如下：

static int RingBufferRead(struct RingBuffer *ptbuf, unsigned char *dst, unsigned int length)
{unsigned int len1 = 0, len2 = 0;if(ptbuf->info.pHead==NULL)     return -EINVAL;if(ptbuf->info.nValidLength==0) return -ENOMEM;if(length > ptbuf->info.nValidLength){length = ptbuf->info.nValidLength;}if( (ptbuf->info.pValid + length) > ptbuf->info.pEnd ){len1 = (unsigned int)(ptbuf->info.pEnd - ptbuf->info.pValid);len2 = length - len1;memcpy(dst, (uint8_t*)ptbuf->info.pValid, len1);memcpy(dst + len1, (uint8_t*)ptbuf->info.pHead, len2);ptbuf->info.pValid = ptbuf->info.pHead + len2;}else{memcpy(dst, (uint8_t*)ptbuf->info.pValid, length);ptbuf->info.pValid = ptbuf->info.pValid + length;}ptbuf->info.nValidLength -= length;return (int)length;
}

29.6 清除缓冲区

清除缓冲区时，让RingBuffer的各个成员恢复初始值即可：

static int RingBufferClear(struct RingBuffer *ptbuf)
{if(ptbuf == NULL)           return -EINVAL;if(ptbuf->info.pHead==NULL) return -EINVAL;if(ptbuf->info.pHead != NULL){memset(ptbuf->info.pHead, 0, ptbuf->info.nBufferLength);}ptbuf->info.pValid = ptbuf->info.pValidEnd = ptbuf->info.pHead;ptbuf->info.nValidLength = 0;return ESUCCESS;
}

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本章完