1.概述
2. 原理
3. 使用場景
4. 實踐
? 4.1 Github搜索
? 4.2 編寫makefile
? 4.3?編譯運行
5.總結
ring buffer稱作環形緩沖區，也稱作環形隊列（circular queue），是一種用于表示一個固定尺寸、頭尾相連的緩沖區的數據結構，適合緩存數據流。如下為環形緩沖區（ring buffer）?的概念示意圖。
在任務間的通信、串口數據收發、log緩存、網卡處理網絡數據包、音頻/視頻流處理中均有環形緩沖區（ring buffer）?的應用。在RT-Thread的ringbuffer.c和ringbuffer.h文件中，Linux內核文件kfifo.h和kfifo.c中也有環形緩沖區（ring buffer）的代碼實現。
環形緩沖區的一些使用特點如下：
當一個數據元素被讀取出后，其余數據元素不需要移動其存儲位置；
適合于事先明確了緩沖區的最大容量的情形。緩沖區的容量（長度）一般固定，可以用一個靜態數組來充當緩沖區，無需重復申請內存；
如果緩沖區的大小需要經常調整，就不適合用環形緩沖區，因為在擴展緩沖區大小時，需要搬移其中的數據，這種場合使用鏈表更加合適；
因為緩沖區成頭尾相連的環形，寫操作可能會覆蓋未及時讀取的數據，有的場景允許這種情況發生，有的場景又嚴格限制這種情況發生。選擇何種策略和具體應用場景相關。
2. 原理
站在巨人的肩膀上，有文章已經介紹的很好了，參考文章：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/534098236
3. 使用場景
只要出現數據生產者和的可能速度快于數據消費者場景，就需要使用緩存buffer. 比如在汽車ECU控制器中（如座艙域控制器）MCU和SOC之間的通信（如MCU收到CAN數據，根據情況上傳給SOC）肯定需要使用緩存buffer, 這個buffer還需要具有先進行出的特性，那么就需要ring buffer.
4. 實踐
如果是學習的話，我們當然可以從0到1自己寫一個，這樣更加能鍛煉我們的代碼能力。如果是項目著急使用的話，我們首先考慮站在巨人的肩膀上看有沒有開源現成的可以參考。
4.1 Github搜索
github上搜索ringbuffer, 找一個star數相對比較高的項目。
讀下項目的README
項目在實際硬件平臺上使用過，且有相關的測試代碼，但是沒有makefile，我們需要編寫一個makefile來測試下。
Github鏈接：https://github.com/netube99/RingBuffer
4.2 編寫makefile
makefile參考本公眾號的系類文章：
編譯鏈接專題第7篇-變量的高級主題（下）
#makefileCOMPILER := gccTARGET := ringbuffer.exeOBJS := ring_buffer.o ring_buffer_chapter.o main.oRM := del$(TARGET) : $(OBJS)$(COMPILER) -o $@ $^$(OBJS) : %.o : %.c$(COMPILER) -o $@ -c $^.PHONY : rebuild clean allrebuild : clean allall : $(TARGET)clean :$(RM) *o $(TARGET)
測試代碼：
//引用相關頭文件//創建一個數組作為數據存儲空間static uint8_t buffer[BUFFER_SIZE];//創建環形緩沖區句柄static ring_buffer rb;int main(void){//初始化環形緩沖區參數RB_Init(&rb, buffer, BUFFER_SIZE);//寫入向環形緩沖區寫入數據RB_Write_String(&rb, "hello world", 11);RB_Write_Byte(&rb, '!');RB_Write_Byte(&rb, 0x00);//刪除環形緩沖區部分數據RB_Delete(&rb, 2);//獲取已儲存的數據長度uint32_t num = RB_Get_Length(&rb);//讀出環形緩沖區中的數據并打印uint8_t get[16];RB_Read_String(&rb, get, num);printf("%s", get);//控制臺輸出內容//llo world!return 0;}
4.3 編譯運行
編譯這個開源項目，生成可執行文件ringbuffer.exe
執行ringbuffer.exe，結果符合測試代碼的預期。
5.總結
本文沒有詳細贅述ringbuffer的原理（參考文章中有詳細介紹），著重介紹了項目中需要使用ringbuffer的場景，同時介紹了實際工程中如何從github中獲取開源項目并編譯運行起來。
ringbuffer的源碼如下：
ring_buffer.h
/*** \file ring_buffer.h* \brief 簡易環形緩沖相關定義與聲明* \author netube_99\netube@163.com* \date 2022.08.20* \version v0.4.0*///返回值定義//環形緩沖區結構體typedef struct{uint32_t head ; //操作頭指針uint32_t tail ; //操作尾指針uint32_t Length ; //已儲存的數據量uint8_t *array_addr ; //緩沖區儲存數組基地址uint32_t max_Length ; //緩沖區最大可儲存數據量}ring_buffer;uint8_t RB_Init(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *buffer_addr ,uint32_t buffer_size); //初始化基礎環形緩沖區uint8_t RB_Delete(ring_buffer *rb_handle, uint32_t Length); //從頭指針開始刪除指定長度的數據uint8_t RB_Write_Byte(ring_buffer *rb_handle, uint8_t data); //向緩沖區尾指針寫一個字節uint8_t RB_Write_String(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *input_addr, uint32_t write_Length); //向緩沖區尾指針寫指定長度數據uint8_t RB_Read_Byte(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *output_addr); //從緩沖區頭指針讀一個字節uint8_t RB_Read_String(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *output_addr, uint32_t read_Length); //從緩沖區頭指針讀指定長度數據uint32_t RB_Get_Length(ring_buffer *rb_handle); //獲取緩沖區里已儲存的數據長度uint32_t RB_Get_FreeSize(ring_buffer *rb_handle); //獲取緩沖區可用儲存空間
ring_buffer.c
/*** \file ring_buffer.c* \brief 簡易環形緩沖的實現* \author netube_99\netube@163.com* \date 2022.08.20* \version v0.4.0*/#include#include#include "ring_buffer.h"/*** \brief 初始化新緩沖區* \param[out] rb_handle: 待初始化的緩沖區結構體句柄* \param[in] buffer_addr: 外部定義的緩沖區數組，類型必須為 uint8_t* \param[in] buffer_size: 外部定義的緩沖區數組空間* \return 返回緩沖區初始化的結果* \arg RING_BUFFER_SUCCESS: 初始化成功* \arg RING_BUFFER_ERROR: 初始化失敗*/uint8_t RB_Init(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *buffer_addr ,uint32_t buffer_size){//緩沖區數組空間必須大于2且小于數據類型最大值if(buffer_size < 2 || buffer_size == 0xFFFFFFFF)return RING_BUFFER_ERROR ; //初始化失敗rb_handle->head = 0 ; //復位頭指針rb_handle->tail = 0 ; //復位尾指針rb_handle->Length = 0 ; //復位已存儲數據長度rb_handle->array_addr = buffer_addr ; //緩沖區儲存數組基地址rb_handle->max_Length = buffer_size ; //緩沖區最大可儲存數據量return RING_BUFFER_SUCCESS ; //緩沖區初始化成功}/*** \brief 從頭指針開始刪除指定長度的數據* \param[out] rb_handle: 緩沖區結構體句柄* \param[in] Length: 要刪除的長度* \return 返回刪除指定長度數據結果* \arg RING_BUFFER_SUCCESS: 刪除成功* \arg RING_BUFFER_ERROR: 刪除失敗*/uint8_t RB_Delete(ring_buffer *rb_handle, uint32_t Length){if(rb_handle->Length < Length)return RING_BUFFER_ERROR ;//已儲存的數據量小于需刪除的數據量else{if((rb_handle->head + Length) >= rb_handle->max_Length)rb_handle->head = Length - (rb_handle->max_Length - rb_handle->head);elserb_handle->head += Length ; //頭指針向前推進，拋棄數據rb_handle->Length -= Length ; //重新記錄有效數據長度return RING_BUFFER_SUCCESS ;//已儲存的數據量小于需刪除的數據量}}/*** \brief 向緩沖區尾部寫一個字節* \param[out] rb_handle: 緩沖區結構體句柄* \param[in] data: 要寫入的字節* \return 返回緩沖區寫字節的結果* \arg RING_BUFFER_SUCCESS: 寫入成功* \arg RING_BUFFER_ERROR: 寫入失敗*/uint8_t RB_Write_Byte(ring_buffer *rb_handle, uint8_t data){//緩沖區數組已滿，產生覆蓋錯誤if(rb_handle->Length == (rb_handle->max_Length))return RING_BUFFER_ERROR ;else{*(rb_handle->array_addr + rb_handle->tail) = data;//基地址+偏移量，存放數據rb_handle->Length ++ ;//數據量計數+1rb_handle->tail ++ ;//尾指針后移}//如果尾指針超越了數組末尾，尾指針指向緩沖區數組開頭，形成閉環if(rb_handle->tail > (rb_handle->max_Length - 1))rb_handle->tail = 0 ;return RING_BUFFER_SUCCESS ;}/*** \brief 從緩沖區頭指針讀取一個字節* \param[out] rb_handle: 緩沖區結構體句柄* \param[out] output_addr: 讀取的字節保存地址* \return 返回讀取狀態* \arg RING_BUFFER_SUCCESS: 讀取成功* \arg RING_BUFFER_ERROR: 讀取失敗*/uint8_t RB_Read_Byte(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *output_addr){if (rb_handle->Length != 0)//有數據未讀出{*output_addr = *(rb_handle->array_addr + rb_handle->head);//讀取數據rb_handle->head ++ ;rb_handle->Length -- ;//數據量計數-1//如果頭指針超越了數組末尾，頭指針指向數組開頭，形成閉環if(rb_handle->head > (rb_handle->max_Length - 1))rb_handle->head = 0 ;return RING_BUFFER_SUCCESS ;}return RING_BUFFER_ERROR ;}/*** \brief 向緩沖區尾部寫指定長度的數據* \param[out] rb_handle: 緩沖區結構體句柄* \param[out] input_addr: 待寫入數據的基地址* \param[in] write_Length: 要寫入的字節數* \return 返回緩沖區尾部寫指定長度字節的結果* \arg RING_BUFFER_SUCCESS: 寫入成功* \arg RING_BUFFER_ERROR: 寫入失敗*/uint8_t RB_Write_String(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *input_addr, uint32_t write_Length){//如果不夠存儲空間存放新數據,返回錯誤if((rb_handle->Length + write_Length) > (rb_handle->max_Length))return RING_BUFFER_ERROR ;else{//設置兩次寫入長度uint32_t write_size_a, write_size_b ;//如果順序可用長度小于需寫入的長度，需要將數據拆成兩次分別寫入if((rb_handle->max_Length - rb_handle->tail) < write_Length){write_size_a = rb_handle->max_Length - rb_handle->tail ;//從尾指針開始寫到儲存數組末尾write_size_b = write_Length - write_size_a ;//從儲存數組開頭寫數據//分別拷貝a、b段數據到儲存數組中memcpy(rb_handle->array_addr + rb_handle->tail, input_addr, write_size_a);memcpy(rb_handle->array_addr, input_addr + write_size_a, write_size_b);rb_handle->Length += write_Length ;//記錄新存儲了多少數據量rb_handle->tail = write_size_b ;//重新定位尾指針位置}else//如果順序可用長度大于或等于需寫入的長度，則只需要寫入一次{write_size_a = write_Length ;//從尾指針開始寫到儲存數組末尾memcpy(rb_handle->array_addr + rb_handle->tail, input_addr, write_size_a);rb_handle->Length += write_Length ;//記錄新存儲了多少數據量rb_handle->tail += write_size_a ;//重新定位尾指針位置if(rb_handle->tail == rb_handle->max_Length)rb_handle->tail = 0 ;//如果寫入數據后尾指針剛好寫到數組尾部，則回到開頭，防止越位}return RING_BUFFER_SUCCESS ;}}/*** \brief 從緩沖區頭部讀指定長度的數據，保存到指定的地址* \param[out] rb_handle: 緩沖區結構體句柄* \param[out] output_addr: 讀取的數據保存地址* \param[in] read_Length: 要讀取的字節數* \return 返回緩沖區頭部讀指定長度字節的結果* \arg RING_BUFFER_SUCCESS: 讀取成功* \arg RING_BUFFER_ERROR: 讀取失敗*/uint8_t RB_Read_String(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *output_addr, uint32_t read_Length){if(read_Length > rb_handle->Length)return RING_BUFFER_ERROR ;else{uint32_t Read_size_a, Read_size_b ;if(read_Length > (rb_handle->max_Length - rb_handle->head)){Read_size_a = rb_handle->max_Length - rb_handle->head ;Read_size_b = read_Length - Read_size_a ;memcpy(output_addr, rb_handle->array_addr + rb_handle->head, Read_size_a);memcpy(output_addr + Read_size_a, rb_handle->array_addr, Read_size_b);rb_handle->Length -= read_Length ;//記錄剩余數據量rb_handle->head = Read_size_b ;//重新定位頭指針位置}else{Read_size_a = read_Length ;memcpy(output_addr, rb_handle->array_addr + rb_handle->head, Read_size_a);rb_handle->Length -= read_Length ;//記錄剩余數據量rb_handle->head += Read_size_a ;//重新定位頭指針位置if(rb_handle->head == rb_handle->max_Length)rb_handle->head = 0 ;//如果讀取數據后頭指針剛好寫到數組尾部，則回到開頭，防止越位}return RING_BUFFER_SUCCESS ;}}/*** \brief 獲取緩沖區里已儲存的數據長度* \param[in] rb_handle: 緩沖區結構體句柄* \return 返回緩沖區里已儲存的數據長度*/uint32_t RB_Get_Length(ring_buffer *rb_handle){return rb_handle->Length ;}/*** \brief 獲取緩沖區可用儲存空間* \param[in] rb_handle: 緩沖區結構體句柄* \return 返回緩沖區可用儲存空間*/uint32_t RB_Get_FreeSize(ring_buffer *rb_handle){return (rb_handle->max_Length - rb_handle->Length) ;}
main.c和makefile文件見前文。
End
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End
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