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环形缓冲区的实现原理(ring buffer)

作者: 美高梅4858赌场|来源: http://www.ff-coffee.com|栏目:www.4858.com|    日期:2020-01-04

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美高梅4858赌场,环形缓冲

  在通信程序中,经常使用环形缓冲区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。

  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。

  环形缓冲区是数据通信程序中使用最为广泛的数据结构之一,下面的代码,实现了一个环形缓冲区:

  /* 环形缓冲区的地址编号计算函数,如果到达唤醒缓冲区的尾部,将绕回到头部。

  在CAN通信卡设备驱动程序中,为了增强CAN通信卡的通信能力、提高通信效率,根据CAN的特点,使用两级缓冲区结构,即直接面向CAN通信卡的收发缓 冲区和直接面向系统调用的接收帧缓冲区。 通讯中的收发缓冲区一般采用环形队列(或称为FIFO队列),使用环形的缓冲区可以使得读写并发执行,读进程和写进程可以采用“生产者和消费者”的模型来 访问缓冲区,从而方便了缓存的使用和管理。然而,环形缓冲区的执行效率并不高,每读一个字节之前,需要判断缓冲区是否为空,并且移动尾指针时需要进行“折行处理”(即当指针指到缓冲区内存的末尾时,需要新将其定向到缓冲区的首地址);每写一个字节之前,需要判断缓区是否为,并且移动尾指针时同样需要进行“ 折行处理”。程序大部分的执行过程都是在处理个别极端的情况。只有小部分在进行实际有效的操作。这就是软件工程中所谓的“8比2”关系。结合CAN通讯实际情况,在本设计中对环形队列进行了改进,可以较大地提高数据的收发效率。 由于CAN通信卡上接收和发送缓冲器每次只接收一帧CAN数据,而且根据CAN的通讯协议,CAN控制器的发送数据由1个字节的标识符、一个字节的RTR 和DLC位及8个字节的数据区组成,共10个字节;接收缓冲器与之类似,也有10个字节的寄存器。所以CAN控制器收的数据是短小的定长帧(数据可以不满 8字节)。 于是,采用度为10字节的数据块业分配内存比较方便,即每次需要内存缓冲区时,直接分配10个字节,由于这10个字节的地址是线性的,故不需要进行“折行”处理。更重要的是,在向缓冲区中写数据时,只需要判断一次是否有空闲块并获取其块首指针就可以了,从而减少了重复性的条件判断,大大提高了程序的执行效率;同样在从缓冲队列中读取数据时,也是一次读取10字节的数据块,同样减少了重复性的条件判断。 在CAN卡驱动程序中采用如下所示的称为“Block_Ring_t”的数据结构作为收发数据的缓冲区:

  该数据结构在通用的环形队列上增加了一个数据成员usedbytes,它表示当前缓冲区中有多少字节的空间被占用了。使用usedbytes,可以比较方 便地进行缓冲区满或空的判断。当usedbytes=0时,缓冲区空;当usedbytes=BLOCK_RING_BUFFER_SIZE时,缓冲区 满。 本驱动程序除了收发缓冲区外,还有一个接收帧缓冲区,接收帧队列负责管理经Hilon A协议解包后得到的数据帧。由于有可能要同接收多个数据帧,而根据CAN总线遥通信协议,高优先级的报文将抢占总线,则有可能在接收一个低优先级且被分为 好几段发送的数据帧时,被一个优先级高的数据帧打断。这样会出现同时接收到多个数据帧中的数据包,因而需要有个接收队列对同时接收的数据帧进行管理。 当有新的数据包到来时,应根据addr(通讯地址),mode(通讯方式),index(数据包的序号)来判断是否是新的数据帧。如果是,则开辟新的 frame_node;否则如果已有相应的帧节点存地,则将数据附加到该帧的末尾;在插入数据的同时,应该检查接收包的序号是否正确,如不正确将丢弃这包 数据。 每次建立新的frame_node时,需要向frame_queue申请内存空间;当frame_queue已满时,释放掉队首的节点(最早接收的但未完 成的帧)并返回该节点的指针。 当系统调用读取了接收帧后,释放该节点空间,使设备驱动程序可以重新使用该节点。

  项目中需要线程之间共享一个缓冲FIFO队列,一个线程往队列中添数据,另一个线程取数据(经典的生产者-消费者问题)。开始考虑用STL的vector 容器, 但不需要随机访问,频繁的删除最前的元素引起内存移动,降低了效率。使用LinkList做队列的话,也需要频繁分配和释放结点内存。于是自己实现一个有 限大小的FIFO队列,直接采用数组进行环形读取。

  队列的读写需要在外部进程线程同步(另外写了一个RWGuard类, 见另一文)

  到项目的针对性简单性,实现了一个简单的环形缓冲队列,比STL的vector简单

  PS: 第一次使用模板,原来类模板的定义要放在.h 文件中, 不然会出现连接错误。

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