环形缓冲区 ring buffer 概述

news2025/5/18 9:58:45

环形缓冲区 ring buffer 概述

1. 简介

环形缓冲区（ring 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。也称作环形缓冲区（circular buffer），环形队列（circular queue），循环缓冲区（cyclic buffer）。

2. 特点及应用场景

环形缓冲区的特点：

固定大小
线性地址空间
先进先出FIFO
高效读取(数据消费后不需要移动其他数据)

环形缓冲区的应用场景：

网络通信(TCP/IP网络协议栈数据缓存)
任务间的通信(生产者消费者缓存、异步通信优化)
操作系统内核(串口网口等驱动设备数据缓存、log日志缓存)
音频/视频流处理(流媒体传输、实时编解码)

环形缓冲区的典型实现：

Linux内核kfifo：采用镜像指示位法实现无锁环形队列，缓冲区大小为2的幂
RT-Thread的ringbuffer：为嵌入式系统优化，支持零拷贝操作和中断安全API
Boost库circular_buffer：支持动态扩容和元素保留策略，提供STL兼容接口

3. 设计要点

3.1 如何在线性地址空间上实现循环读写？

所谓循环读写是指在环形缓冲区的末尾读写之后，下一次读写需要回到环形缓冲区首地址的过程。也称作指针回绕。

对于环形缓冲区首地址m_buffer和缓冲区大小bufferSize是已知条件，通过增加读指针m_readIndex和写指针m_writeIndex就可以解决循环读写问题。

char* buffer; // 环形缓冲区指针
uint32_t bufferSize; // 环形缓冲区大小
uint32_t readIndex; // 读指针，指向下一个要读取的位置
uint32_t writeIndex; // 写指针，指向下一个要写入的位置

计算公式

读索引 = 读指针 % 缓冲区长度; // 基础: 读写指针取模
写索引 = 写指针 % 缓冲区长度;

读索引 = 读指针 & (缓冲区长度 - 1); // 优化: 当bufferSize为2的幂时，取模运算可优化为按位与
写索引 = 写指针 & (缓冲区长度 - 1);

假设环形缓冲区大小bufferSize为4

环形缓冲区的初始状态，大小为4

m_readIndex = 0
m_writeIndex = 0

 start              end  
   │                 │   
   ▼                 ▼   
┌─────┬─────┬─────┬─────┐
│     │     │     │     │
└─────┴─────┴─────┴─────┘
  ▲  ▲                   
  │  │                   
  r  w

环形缓冲区的写入1个数据A

m_readIndex = 0
m_writeIndex = 1 (1 % 4 = 1 或 1 & (4 -1) = 1)

 start              end  
   │                 │   
   ▼                 ▼   
┌─────┬─────┬─────┬─────┐
│  A  │     │     │     │
└─────┴─────┴─────┴─────┘
   ▲     ▲               
   │     │               
   r     w

环形缓冲区的写入4个数据ABCD(缓冲区满)

m_readIndex = 0
m_writeIndex = 0 (指针回绕 4%4=0 或 4 & (4 -1) = 0)

 start              end  
   │                 │   
   ▼                 ▼   
┌─────┬─────┬─────┬─────┐
│  A  │  B  │  C  │  D  │
└─────┴─────┴─────┴─────┘
  ▲ ▲                    
  │ │                    
  r w

环形缓冲区的读取2个数据AB

m_readIndex = 2 (2 % 4 = 2 或 2& (4 -1) = 2)
m_writeIndex = 0

 start              end  
   │                 │   
   ▼                 ▼   
┌─────┬─────┬─────┬─────┐
│     │     │  C  │  D  │
└─────┴─────┴─────┴─────┘
   ▲           ▲         
   │           │         
   w           r

3.2 如何判断缓冲区空和满？

读写指针在相同位置时，缓冲区可能为空或者满。

可以用以下几种方法判断：

计数法：维护写入个数count，count == 0 为空，count == bufferSize为满。需要通过原子操作保证线程安全
预留空位法：写入时保留最后一个位置。当(writeIndex + 1) % bufferSize == readIndex时为满，writeIndex == readIndex时为空
镜像指示位法：通过镜像标志位标记读写指针(0至 2n-1)是否进入镜像区间(n 至 2n-1)。当读写指针相等且镜像标志位相同时为空，当读写指针相等且镜像标志位不同时为满。当缓冲区大小为2的幂时，可省略镜像标志位，使用异或运算writeIndex == (readIndex ^ bufferSize )直接判断满状态。RT-Thread、Linux内核（kfifo）采用该方案。

3. 3 数据溢出与数据覆盖策略？

环形缓冲区的写入6个数据ABCDEF(缓冲区溢出，数据区满后写入数据模式为覆盖)

m_readIndex = 2 (覆盖了2个数据AB，需要移动2位)
m_writeIndex = 2( 6 % 4 = 2 或 6 & (4 -1) = 2)

 start              end  
   │                 │   
   ▼                 ▼   
┌─────┬─────┬─────┬─────┐
│  E  │  F  │  C  │  D  │
└─────┴─────┴─────┴─────┘
              ▲ ▲        
              │ │        
              r w

数据溢出时一般有以下几种策略：