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C语言之环形缓冲区概述及实现

article 2024/10/25 17:09:18

在C语言中存在一种高效的数据结构，叫做环形缓存区，其被广泛用于处理数据流与缓存区的管理。如：数据的收发、程序层级之间的数据交换、硬件接收大量数据的场景，同时也可配合DMA实现通信协议收发数据，已确保流量控制、数据缓存、资源优化并有助于确保数据的实时处理并避免过载情况。下面就详细说下环形缓存区的概念及其实际代码实现。

1、环形缓存区概念

2、实现环形缓存区的数据结构定义

3、环形缓存区的初始化

4、环形缓存区的数据插入与删除

5、处理环形缓存区边界条件

6、总结

1、环形缓存区概念

解：有一种固定大小的缓存区，不会出现因数据过多而过载，并有助于数据的高效处理。它就是环形缓存区，其工作原理与内存的连续和循环使用比较相似。实现逻辑就是一个FIFO的结构，通常采用简单的线性数组实现。并且环形缓存区可以进行高效的数据插入与删除操作。

2、实现环形缓存区的数据结构定义

解：环形缓存区的实现，首先需要定义一个简单的数据结构来存储缓存区、头指针、尾指针和缓存区大小。如：

typedef struct {
    int *buffer; // 存储数据的数组
    int head;    // 头指针
    int tail;    // 尾指针
    int max;     // 缓冲区大小
    int count;   // 当前缓冲区内的元素数量
} RingBuffer;

3、环形缓存区的初始化

解：环形缓存区在使用前，需要进行数据的初始化，避免不同平台对未定义具体数值变量的变量进行随机初始化。如：

void initRingBuffer(RingBuffer *rb, int size) {
    rb->buffer = (int *)malloc(sizeof(int) * size);
    rb->max = size;
    rb->head = 0;
    rb->tail = 0;
    rb->count = 0;
}

PS：建议读者朋友在项目定义变量时，养成初始化定义具体数值的习惯，因为不同平台对未初始化的变量处理方式可能不一致，也有部分平台时默认初始化为0。

4、环形缓存区的数据插入与删除

解：既然环形缓存区是为了高效处理数据，那么肯定得支持数据得插入与删除操作。在进行这两个操作前，需要注意一下事宜：

a、插入数据需要检查缓存区是否已满；如果数据未满，则在尾指针处插入数据，并更新尾指针和元素数量；接下来的代码实现会完成溢出翻转的实现，所以对于数据已满有相应的处理。

b、删除数据需要检查缓存区是否为空，然后再从头指针位置取出数据，并更新头指针和元素数量。

以下是对于单个数据操作的具体实现，对于多个数据的处理可调用以下接口进行二次封装使用：

int insertToRingBuffer(RingBuffer *rb, int value) {
    if (rb->count == rb->max) {
        // 缓冲区已满
        return -1;
    }
    rb->buffer[rb->tail] = value;
    rb->tail = (rb->tail + 1) % rb->max;
    rb->count++;
    return 0;
}
int removeFromRingBuffer(RingBuffer *rb, int *value) {
    if (rb->count == 0) {
        // 缓冲区为空
        return -1;
    }
    *value = rb->buffer[rb->head];
    rb->head = (rb->head + 1) % rb->max;
    rb->count--;
    return 0;
}