循环缓冲区（RingBuffer）

一、简介

1、循环缓冲区的实现原理

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。

2、概念

关于循环缓冲区（Ring Buffer）的概念，其实来自于Linux内核（Maybe），是为解决某些特殊情况下的竞争问题提供了一种免锁的方法。这种特殊的情况就是当生产者和消费者都只有一个，而在其它情况下使用它也是必须要加锁的。对应在Linux内核中有对它的定义：

struct kfifo {  

         unsigned char *buffer;  

         unsigned int size;  

         unsigned int in;  

         unsigned int out;  

         spinlock_t *lock;  

}; 

其中buffer指向存放数据的缓冲区，size是缓冲区的大小，in是写指针下标，out是读指针下标，lock是加到struct kfifo上的自旋锁（上面说不加锁不是这里的锁），防止多个进程并发访问此数据结构。当in==out时，说明缓冲区为空；当(in-out)==size时，说明缓冲区已满。 

 注：我们保有对应的读写指针，当第一批数据（蓝色）完成，第二批数据（红色）会根据当前的写指针位置继续我们的数据操作，当达到最大的Buffer_Size时，会重新回到Buffer的开始端。

我们更多要说的是Ring Buffer关于在我们在日志处理方面的一个应用，我们知道对于Program来说日志记录提供了故障前应用程序状态的详细信息，在一段时间的运行过程中，会将不断地产生大量的跟踪数据，以及调试信息并持续地将其写入到磁盘上的文本文件中。多亿进行有效的日志记录，需要使用大量的磁盘空间，并且在多线程环境中，所需的磁盘空间会成倍地增加。常规的日志处理来说存在一些问题，比如硬盘空间的可用性，以及在对一个文件写入数据时磁盘 I/O 的速度较慢。持续地对磁盘进行写入操作可能会极大地降低程序的性能，导致其运行速度缓慢。通常，可以通过使用日志轮换策略来解决空间问题，将日志保存在几个文件中，当这些文件大小达到某个预定义的字节数时，对它们进行截断和覆盖。

    所以要克服空间问题并实现磁盘 I/O 的最小化，某些程序可以将它们的跟踪数据记录在内存中，仅当请求时才转储这些数据。这个循环的、内存中的缓冲区称为循环缓冲区。它可以将相关的数据保存在内存中，而不是每次都将其写入到磁盘上的文件中。在需要的时候（比如当用户请求将内存数据转储到文件中时、程序检测到一个错误时，或者由于非法的操作或者接收到的信号而引起程序崩溃时）可以将内存中的数据转储到磁盘。循环缓冲区日志记录由一个固定大小的内存缓冲区构成，进程使用这个内存缓冲区进行日志记录。

   当然现在我们面对的大多是多线程的协同工作，对于日志记录来说，倘若采取传统的加锁机制访问我们的存储文件，这些线程将在获得和释放锁上花费了大部分的时间，所以采取循环缓冲区会是一个不错的办法。通过使得每个线程将数据写入到它自己的内存块，就可以完全避免同步问题。当收到来自用户的转储数据的请求时，每个线程获得一个锁，并将其转储到中心位置。或者分配一个很大的全局内存块，并将其划分为较小的槽位，其中每个槽位都可由一个线程用来进行日志记录。每个线程只能够读写它自己的槽位，而不是整个缓冲区。当每个线程第一次尝试写入数据时，它会尝试寻找一个空的内存槽位，并将其标记为忙碌。当线程获得了一个特定的槽位时，可以将跟踪槽位使用情况的位图中相应的位设置为1，当该线程退出时，重新将这个位设置为 0。在这里需要同时需要维护当前使用的槽位编号的全局列表，以及正在使用它的线程的线程信息。

   但是这里需要注意的是当一个线程已经死亡，却没有释放相应的槽位，并在垃圾收集器释放该槽位之前，再次使用了这个线程 ID 并为其分配一个新的槽位。对于新的线程来说，检查全局列表并且重用相同的槽位（如果以前的实例使用了它的话），这是非常重要的。因为垃圾收集器线程和写入者线程可能同时尝试修改全局列表，所以同样也需要使用某种锁定机制。

二、Ring Buffer的优点

   我们使用 Ring Buffer 这种数据结构，是因为它给我们提供了可靠的消息传递特性。这个理由就足够了，不过它还有一些其他的优点。

首先，Ring Buffer 比链表要快，因为它是数组，而且有一个容易预测的访问模式。这很不错，对 CPU 高速缓存友好 （CPU-cache-friendly）－数据可以在硬件层面预加载到高速缓存，因此 CPU 不需要经常回到主内存 RAM 里去寻找 Ring Buffer 的下一条数据。

第二点，Ring Buffer 是一个数组，你可以预先分配内存，并保持数组元素永远有效。这意味着内存垃圾收集（GC）在这种情况下几乎什么也不用做。此外，也不像链表那样每增加一条数据都要创建对象－当这些数据从链表里删除时，这些对象都要被清理掉。

参考网址：

https://blog.csdn.net/sim_szm/article/details/17011545

图片说明：

环形缓冲区的应用ringbuffer - CSDN博客