架构设计：生产者/消费者模式 第5页：环形缓冲区

 

[3]：环形缓冲区

    前一个帖子说起了队列缓冲区可能存在的性能问题及解决方法：环形缓冲区。今天就专门来描述一下这个话题。

    为了防止有人给咱扣上“过分设计”的大帽子，事先声明一下：只有当存储空间的分配／释放很是频繁而且确实产生了明显的影响，你才应该考虑环形缓冲区的使 用。不然的话，仍是老老实实用最基本、最简单的队列缓冲区吧。还有一点须要说明一下：本文所说起的“存储空间”，不只包括内存，还可能包括诸如硬盘之类的 存储介质。

    ★环形缓冲区 vs 队列缓冲区

    ◇外部接口类似

    在介绍环形缓冲区以前，我们先来回顾一下普通的队列。普通的队列有一个写入端和一个读出端。队列为空的时候，读出端没法读取数据；当队列满（达到最大尺寸）时，写入端没法写入数据。

    对于使用者来说，环形缓冲区和队列缓冲区是同样的。它也有一个写入端（用于push）和一个读出端（用于pop），也有缓冲区“满”和“空”的状态。因此，从队列缓冲区切换到环形缓冲区，对于使用者来讲能比较平滑地过渡。

    ◇内部结构迥异

    虽然二者的对外接口差很少，可是内部结构和运做机制有很大差异。队列的内部结构此处就很少啰嗦了。重点介绍一下环形缓冲区的内部结构。

    大伙儿能够把环形缓冲区的读出端（如下简称R）和写入端（如下简称W）想象成是两我的在体育场跑道上追逐（R追W）。当R追上W的时候，就是缓冲区为空；当W追上R的时候（W比R多跑一圈），就是缓冲区满。

    为了形象起见，去找来一张图并略做修改，以下：

    从上图能够看出，环形缓冲区全部的push和pop操做都是在一个固定的存储空间内进行。而队列缓冲区在push的时候，可能会分配存储空间用于存储新元 素；在pop时，可能会释放废弃元素的存储空间。因此环形方式相比队列方式，少掉了对于缓冲区元素所用存储空间的分配、释放。这是环形缓冲区的一个主要优 势。

    ★环形缓冲区的实现

    若是你手头已经有现成的环形缓冲区可供使用，而且你对环形缓冲区的内部实现不感兴趣，能够跳过这段。

    ◇数组方式 vs 链表方式

    环形缓冲区的内部实现，便可基于数组（此处的数组，泛指连续存储空间）实现，也可基于链表实现。

    数组在物理存储上是一维的连续线性结构，能够在初始化时，把存储空间一次性分配好，这是数组方式的优势。可是要使用数组来模拟环，你必须在逻辑上把数组的 头和尾相连。在顺序遍历数组时，对尾部元素（最后一个元素）要做一下特殊处理。访问尾部元素的下一个元素时，要从新回到头部元素（第0个元素）。以下图所 示：

    使用链表的方式，正好和数组相反：链表省去了头尾相连的特殊处理。可是链表在初始化的时候比较繁琐，并且在有些场合（好比后面提到的跨进程的IPC）不太方便使用。

    ◇读写操做

    环形缓冲区要维护两个索引，分别对应写入端（W）和读取端（R）。写入（push）的时候，先确保环没满，而后把数据复制到W所对应的元素，最后W指向下一个元素；读取（pop）的时候，先确保环没空，而后返回R对应的元素，最后R指向下一个元素。