环形缓冲器（ring buffer，圆形队列）总结-java版

目录

为什么要有环形缓冲器

简介

区分缓冲区是否为满的策略

总是保持一个存储单元为空

使用数据计数

镜像指示位

java实现

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为什么要有环形缓冲器

当有大量数据的时候，我们不能存储所有的数据，那么计算机处理数据的时候，只能先处理先来的，那么处理完后呢，就会把数据释放掉，再处理下一个。那么，已经处理的数据的内存就会被浪费掉。因为后来的数据只能往后排队，如果要将剩余的数据都往前移动一次，那么效率就会低下了，肯定不现实，所以，环形队列就出现了。

频繁的内存分配不但增加了系统开销，更使得内存碎片不断增多，非常不利于我们的服务器长期稳定运行。也许我们可以使用内存池，比如SGI STL中附带的小内存分配器。但是对于这种按照严格的先进先出顺序处理的，块大小并不算小的，而且块大小也并不统一的内存分配情况来说，更多使用的是一种叫做环形缓冲区的方案。

简介

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

环形缓冲区通常有一个读指针和一个写指针。读指针指向环形缓冲区中可读的数据，写指针指向环形缓冲区中可写的缓冲区。通过移动读指针和写指针就可以实现缓冲区的数据读取和写入。在通常情况下，环形缓冲区的读用户仅仅会影响读指针，而写用户仅仅会影响写指针。如果仅仅有一个读用户和一个写用户，那么不需要添加互斥保护机制就可以保证数据的正确性。如果有多个读写用户访问环形缓冲区，那么必须添加互斥保护机制来确保多个用户互斥访问环形缓冲区。

图1、图2和图3是一个环形缓冲区的运行示意图。图1是环形缓冲区的初始状态，可以看到读指针和写指针都指向第一个缓冲区处；图2是向环形缓冲区中添加了一个数据后的情况，可以看到写指针已经移动到数据块2的位置，而读指针没有移动；图3是环形缓冲区进行了读取和添加后的状态，可以看到环形缓冲区中已经添加了两个数据，已经读取了一个数据。

区分缓冲区是否为满的策略

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（size - 1） 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0至n-1；那么，规定n至2n-1为镜像逻辑地址空间。本策略规定读写指针的地址空间为0至2n-1，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2n时，使其折返（wrapped）到ptr-2n。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。

这种方法的逻辑是，如果写指针超出了读指针n位，在普通情况下，读写指针重合，但在这种情况下，写指针在镜像空间的读指针+n位，不和读指针重合

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。

java实现

使用4个数字

队列的长度，元素的个数，读指针，写指针

如果队列已满，不能写入元素

如果队列为空，不能拿出元素

package datastructure.list.ringbuffer;

import java.util.Arrays;

public class RingBuffer {
	
	/**
	 * ringBuffer的总长度，最大能够存储的成员数
	 */
	private int length;
	
	/**
	 * ringBuffer内部存储的现有的成员数
	 */
	private int size;
	
	/**
	 * 写指针,代表下一次操作执行的位置
	 */
	private int writePos;
	
	/**
	 * 读指针,代表下一次操作执行的位置
	 */
	private int readPos;
	
	/**
	 * 放置成员的循环数组，长度为length
	 */
	private Object[] list;
	
	
	/**ringBuffer的构造函数

	 * 初始化各种参数和object数组
	 * @param length  ringBuffer的总长度，最大能够存储的成员数
	 */
	public RingBuffer(int length){
		this.length=length;
		list=new Object[length];
		size=0;
		writePos=0;
		readPos=0;		
	}
	
	/**显示ringBuffer已满，是否还能插入新的元素
	 * @return 如果数组已满，不能插入，返回true
如果能插入，返回false
	 */
	public boolean isFull(){
		if(size==length){
			return true;
		}
		return false;
	}
	
	/**显示ringBuffer是否为空，是否还能取出元素
	 * @return 如果数组为空，不能取出元素，返回true 
 如果能取出，返回false
	 */
	public boolean isEmpty(){
		if(size==0){
			return true;
		}
		return false;
	}
	
	/**在ringBuffer中插入一个元素，在写指针处插入元素
	 * @param object  被插入的元素
	 * @return 如果成功插入，返回true
 如果队列已满，返回false
	 */
	public boolean put(Object object){
		if(isFull()){
			//如果队列已满
			return false;
		}
		if(writePos==length-1){
			//如果这次写入的位置在队列的最后一个元素
			list[writePos]=object;
			//那么下次写入的位置为0
			writePos=0;
		}
		else{
			//这次写入的位置不是队列最后一个元素，那么现在writePos处写入，然后++
			list[writePos++]=object;
		}
		//ringBuffer中的成员数增加
		//size的处理在最后操作，防止size增加了，读操作却没有读到
		size++;				
		return true;
	}
	
	/**从ringBuffer中取出一个元素
	 * @return 如果队列为空，返回null 
 否则，返回读指针对应的元素
	 */
	public Object take(){
		if(isEmpty()){
			return null;
		}
		Object result;
		if(readPos==length-1){
			//如果这次取出的位置在队列的最后一个元素
			result=list[readPos];
			//将对于位置的元素清空
			list[readPos]=null;
			readPos=0;
		}
		else{
			result=list[readPos];
			list[readPos++]=null;
		}
		
		size--;		
		return result;
	}
	
	public void printRingBuffer(){
		System.out.println("开始打印环形缓冲区");
		System.out.println("length=" + length + ", size=" + size + ", writePos=" + writePos + ", readPos=" + readPos);
		for(int i=0;i

测试

package datastructure.list.ringbuffer;

public class Main {

	public static void main(String[] args) {
		RingBuffer ringBuffer=new RingBuffer(5);
		ringBuffer.put("0");
		ringBuffer.put("1");
		ringBuffer.put("2");
		ringBuffer.put("3");
		ringBuffer.put("4");
		ringBuffer.put("5");
		ringBuffer.take();
		ringBuffer.take();
		ringBuffer.put("5");
		ringBuffer.printRingBuffer();
		ringBuffer.take();
		ringBuffer.take();
		ringBuffer.take();
		ringBuffer.take();
		ringBuffer.take();
		ringBuffer.printRingBuffer();
		ringBuffer.put("5");
		ringBuffer.printRingBuffer();
	}

}