我需要一个固定大小（可在运行时选择，而不是编译时）的循环缓冲区，可以容纳任何类型的对象，并且需要非常高的性能。我认为不会有资源争用问题，因为尽管它在多任务嵌入式环境中，但它是协作的，所以任务本身可以管理。
我的初步想法是在缓冲区中存储一个简单的结构体，其中包含类型（简单的枚举/定义）和指向负载的void指针，但我希望这样做尽可能快，因此我愿意接受绕过堆的建议。
实际上，我很乐意绕过任何标准库以获得原始速度-从我看到的代码来看，它并没有为 CPU 进行大量优化：它看起来只是编译了 C 代码用于像strcpy()之类的操作，没有手工编写的汇编代码。
非常感谢您提供任何代码或想法。所需的操作如下：
最简单的解决方案是跟踪项大小和项数，然后创建适当字节数的缓冲区：
typedef struct circular_buffer
{
void *buffer; // data buffer
void *buffer_end; // end of data buffer
size_t capacity; // maximum number of items in the buffer
size_t count; // number of items in the buffer
size_t sz; // size of each item in the buffer
void *head; // pointer to head
void *tail; // pointer to tail
} circular_buffer;
void cb_init(circular_buffer *cb, size_t capacity, size_t sz)
{
cb->buffer = malloc(capacity * sz);
if(cb->buffer == NULL)
// handle error
cb->buffer_end = (char *)cb->buffer + capacity * sz;
cb->capacity = capacity;
cb->count = 0;
cb->sz = sz;
cb->head = cb->buffer;
cb->tail = cb->buffer;
}
void cb_free(circular_buffer *cb)
{
free(cb->buffer);
// clear out other fields too, just to be safe
}
void cb_push_back(circular_buffer *cb, const void *item)
{
if(cb->count == cb->capacity){
// handle error
}
memcpy(cb->head, item, cb->sz);
cb->head = (char*)cb->head + cb->sz;
if(cb->head == cb->buffer_end)
cb->head = cb->buffer;
cb->count++;
}
void cb_pop_front(circular_buffer *cb, void *item)
{
if(cb->count == 0){
// handle error
}
memcpy(item, cb->tail, cb->sz);
cb->tail = (char*)cb->tail + cb->sz;
if(cb->tail == cb->buffer_end)
cb->tail = cb->buffer;
cb->count--;
}
// Note power of two buffer size
#define kNumPointsInMyBuffer 1024
typedef struct _ringBuffer {
UInt32 currentIndex;
UInt32 sizeOfBuffer;
double data[kNumPointsInMyBuffer];
} ringBuffer;
// Initialize the ring buffer
ringBuffer *myRingBuffer = (ringBuffer *)calloc(1, sizeof(ringBuffer));
myRingBuffer->sizeOfBuffer = kNumPointsInMyBuffer;
myRingBuffer->currentIndex = 0;
// A little function to write into the buffer
// N.B. First argument of writeIntoBuffer() just happens to have the
// same as the one calloc'ed above. It will only point to the same
// space in memory if the calloc'ed pointer is passed to
// writeIntoBuffer() as an arg when the function is called. Consider
// using another name for clarity
void writeIntoBuffer(ringBuffer *myRingBuffer, double *myData, int numsamples) {
// -1 for our binary modulo in a moment
int buffLen = myRingBuffer->sizeOfBuffer - 1;
int lastWrittenSample = myRingBuffer->currentIndex;
int idx;
for (int i=0; i < numsamples; ++i) {
// modulo will automagically wrap around our index
idx = (i + lastWrittenSample) & buffLen;
myRingBuffer->data[idx] = myData[i];
}
// Update the current index of our ring buffer.
myRingBuffer->currentIndex += numsamples;
myRingBuffer->currentIndex &= myRingBuffer->sizeOfBuffer - 1;
}
uint8_t tmp1,tmp2; tmp1 = (34 + 1) & 31; tmp2 = (35 ) % 32; printf("%d %d",tmp1,tmp2);那么，它们之间的实际区别是什么，还是只是编码风格的不同？ - R1S8K&和%才能获得相同的结果。 - Matthieu你在编写缓冲区时需要列举所需类型，还是需要能够通过动态调用在运行时添加类型？如果是前者，则我会将缓冲区创建为一个n个结构体的堆分配数组，其中每个结构体由两个元素组成：一个枚举标记，用于标识数据类型，和所有数据类型的联合。虽然在存储小元素方面你会失去额外的存储空间，但可以避免处理分配/释放和导致的内存碎片。然后您只需要跟踪定义缓冲区头和尾元素的开始和结束索引，并在递增/递减索引时确保计算 mod n。
QUEUE_DESC（队列描述符）和初始化函数强制此代码中的所有缓冲区为2的幂。否则，上述方案将无法正常工作。顺便提一下，注意QUEUE_DESC并非硬编码，它使用一个清单常量（#define BITS_ELE_KNT）进行构建。（我假设2的幂在这里足够灵活）
为了使缓冲区大小可以在运行时选择，我尝试了不同的方法（此处未显示），并决定使用USHRTs作为Head、Tail、EleKnt的数据类型，以管理FIFO缓冲区[USHRT]。为避免模数算术，我创建了一个掩码与Head、Tail相&，但该掩码结果为（EleKnt-1），因此只需使用该掩码即可。使用USHRTS而不是位整数可将性能提高约15％，特别是在繁忙的共享机器上，英特尔CPU核心始终比其总线更快，因此打包数据结构可以让您在其他竞争线程之前加载和执行。权衡。
请注意，缓冲区的实际存储是使用calloc()在堆上分配的，并且指针位于结构体的基础上，因此结构体和指针具有完全相同的地址。即；不需要添加偏移量以将结构体地址与寄存器绑定。
在同样的思路下，所有与缓冲服务相关的变量都与缓冲物理相邻，并绑定到同一个结构体中，因此编译器可以生成漂亮的汇编语言。如果不禁用内联优化，你将无法看到任何汇编代码，因为否则它会被压缩成虚无。这意味着 QUEUE_DESC 的 UCHAR *pBuffer 将有一个相应的伴随数组用于跟踪数据类型和大小，而数据在 pBuffer 中的存储位置将保持不变。新成员将类似于 DATA_DESC *pDataDesc，或者，如果您能找到一种方法来让编译器接受这样的前向引用，可以是 DATA_DESC DataDesc [2 ^ BITS_ELE_KNT]。 在这些情况下，Calloc（）始终更具灵活性。
在 Q_Put()、Q_Get() 中仍然需要使用 memcpy()，但实际复制的字节数取决于 DATA_DESC.dBytes，而不是 QUEUE_DESC.EleBytes。对于任何给定的 put 或 get 操作，元素都可能是不同类型/大小的。
我相信这段代码满足速度和缓冲区大小的要求，并且可以满足 6 种不同数据类型的要求。我留下了多个测试固件，以 printf() 语句的形式，这样您就可以自行确认代码是否正常工作。随机数生成器演示了该代码对于任意随机 head/tail 组合的有效性。
enter code here
// Queue_Small.cpp : Defines the entry point for the console application.
//
#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <limits.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <memory.h>
#include <math.h>
#define UCHAR unsigned char
#define ULONG unsigned long
#define USHRT unsigned short
#define dbl double
/* Queue structure */
#define QUEUE_FULL_FLAG 1
#define QUEUE_EMPTY_FLAG -1
#define QUEUE_OK 0
//
#define BITS_ELE_KNT 12 //12 bits will create 4.096 elements numbered 0-4095
//
//typedef struct {
// USHRT dBytes:8; //amount of QUEUE_DESC.EleBytes storage used by datatype
// USHRT dType :3; //supports 8 possible data types (0-7)
// USHRT dFoo :5; //unused bits of the unsigned short host's storage
// } DATA_DESC;
// This descriptor gives a home to all the housekeeping variables
typedef struct {
UCHAR *pBuffer; // pointer to storage, 16 to 4096 elements
ULONG Tail :BITS_ELE_KNT; // # elements, with range of 0-4095
ULONG Head :BITS_ELE_KNT; // # elements, with range of 0-4095
ULONG EleBytes :8; // sizeof(elements) with range of 0-256 bytes
// some unused bits will be left over if BITS_ELE_KNT < 12
USHRT EleKnt :BITS_ELE_KNT +1;// 1 extra bit for # elements (1-4096)
//USHRT Flags :(8*sizeof(USHRT) - BITS_ELE_KNT +1); // flags you can use
USHRT IsFull :1; // queue is full
USHRT IsEmpty :1; // queue is empty
USHRT Unused :1; // 16th bit of USHRT
} QUEUE_DESC;
// ---------------------------------------------------------------------------
// Function prototypes
QUEUE_DESC *Q_Init(QUEUE_DESC *Q, int BitsForEleKnt, int DataTypeSz);
int Q_Put(QUEUE_DESC *Q, UCHAR *pNew);
int Q_Get(UCHAR *pOld, QUEUE_DESC *Q);
// ---------------------------------------------------------------------------
QUEUE_DESC *Q_Init(QUEUE_DESC *Q, int BitsForEleKnt, int DataTypeSz) {
memset((void *)Q, 0, sizeof(QUEUE_DESC));//init flags and bit integers to zero
//select buffer size from powers of 2 to receive modulo
// arithmetic benefit of bit uints overflowing
Q->EleKnt = (USHRT)pow(2.0, BitsForEleKnt);
Q->EleBytes = DataTypeSz; // how much storage for each element?
// Randomly generated head, tail a test fixture only.
// Demonstrates that the queue can be entered at a random point
// and still perform properly. Normally zero
srand(unsigned(time(NULL))); // seed random number generator with current time
Q->Head = Q->Tail = rand(); // supposed to be set to zero here, or by memset
Q->Head = Q->Tail = 0;
// allocate queue's storage
if(NULL == (Q->pBuffer = (UCHAR *)calloc(Q->EleKnt, Q->EleBytes))) {
return NULL;
} else {
return Q;
}
}
// ---------------------------------------------------------------------------
int Q_Put(QUEUE_DESC *Q, UCHAR *pNew)
{
memcpy(Q->pBuffer + (Q->Tail * Q->EleBytes), pNew, Q->EleBytes);
if(Q->Tail == (Q->Head + Q->EleKnt)) {
// Q->IsFull = 1;
Q->Tail += 1;
return QUEUE_FULL_FLAG; // queue is full
}
Q->Tail += 1; // the unsigned bit int MUST wrap around, just like modulo
return QUEUE_OK; // No errors
}
// ---------------------------------------------------------------------------
int Q_Get(UCHAR *pOld, QUEUE_DESC *Q)
{
memcpy(pOld, Q->pBuffer + (Q->Head * Q->EleBytes), Q->EleBytes);
Q->Head += 1; // the bit int MUST wrap around, just like modulo
if(Q->Head == Q->Tail) {
// Q->IsEmpty = 1;
return QUEUE_EMPTY_FLAG; // queue Empty - nothing to get
}
return QUEUE_OK; // No errors
}
//
// ---------------------------------------------------------------------------
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {
// constrain buffer size to some power of 2 to force faux modulo arithmetic
int LoopKnt = 1000000; // for benchmarking purposes only
int k, i=0, Qview=0;
time_t start;
QUEUE_DESC Queue, *Q;
if(NULL == (Q = Q_Init(&Queue, BITS_ELE_KNT, sizeof(int)))) {
printf("\nProgram failed to initialize. Aborting.\n\n");
return 0;
}
start = clock();
for(k=0; k<LoopKnt; k++) {
//printf("\n\n Fill'er up please...\n");
//Q->Head = Q->Tail = rand();
for(i=1; i<= Q->EleKnt; i++) {
Qview = i*i;
if(QUEUE_FULL_FLAG == Q_Put(Q, (UCHAR *)&Qview)) {
//printf("\nQueue is full at %i \n", i);
//printf("\nQueue value of %i should be %i squared", Qview, i);
break;
}
//printf("\nQueue value of %i should be %i squared", Qview, i);
}
// Get data from queue until completely drained (empty)
//
//printf("\n\n Step into the lab, and see what's on the slab... \n");
Qview = 0;
for(i=1; i; i++) {
if(QUEUE_EMPTY_FLAG == Q_Get((UCHAR *)&Qview, Q)) {
//printf("\nQueue value of %i should be %i squared", Qview, i);
//printf("\nQueue is empty at %i", i);
break;
}
//printf("\nQueue value of %i should be %i squared", Qview, i);
}
//printf("\nQueue head value is %i, tail is %i\n", Q->Head, Q->Tail);
}
printf("\nQueue time was %5.3f to fill & drain %i element queue %i times \n",
(dbl)(clock()-start)/(dbl)CLOCKS_PER_SEC,Q->EleKnt, LoopKnt);
printf("\nQueue head value is %i, tail is %i\n", Q->Head, Q->Tail);
getchar();
return 0;
}
Q->Tail == (Q->Head + Q->EleKnt) 永远不会返回 true，因为 Q->Head + Q->EleKnt 不是模加法，这意味着下一次写操作将简单地覆盖头部。如果 EleKnt 是 4096，那么您的 Tail 将永远无法到达该值。其次，如果将其用作生产者/消费者队列，将会造成严重破坏，因为您的 Q_Put "先写后问"，即使在意识到队列已满之后仍会更新 Tail。下一次调用 Q_Put 将会像什么都没有发生一样覆盖头部。 - vgru这里是一份用C语言编写的简单解决方案。假设每个函数中断都已关闭。 没有多态和其他复杂的东西，只有常识。
#define BUFSIZE 128
char buf[BUFSIZE];
char *pIn, *pOut, *pEnd;
char full;
// init
void buf_init()
{
pIn = pOut = buf; // init to any slot in buffer
pEnd = &buf[BUFSIZE]; // past last valid slot in buffer
full = 0; // buffer is empty
}
// add char 'c' to buffer
int buf_put(char c)
{
if (pIn == pOut && full)
return 0; // buffer overrun
*pIn++ = c; // insert c into buffer
if (pIn >= pEnd) // end of circular buffer?
pIn = buf; // wrap around
if (pIn == pOut) // did we run into the output ptr?
full = 1; // can't add any more data into buffer
return 1; // all OK
}
// get a char from circular buffer
int buf_get(char *pc)
{
if (pIn == pOut && !full)
return 0; // buffer empty FAIL
*pc = *pOut++; // pick up next char to be returned
if (pOut >= pEnd) // end of circular buffer?
pOut = buf; // wrap around
full = 0; // there is at least 1 slot
return 1; // *pc has the data to be returned
}
一个C风格的简单整数环形缓冲区。先使用init初始化，然后使用put和get来操作。如果缓冲区不包含任何数据，它将返回“0”零。
//=====================================
// ring buffer address based
//=====================================
#define cRingBufCount 512
int sRingBuf[cRingBufCount]; // Ring Buffer
int sRingBufPut; // Input index address
int sRingBufGet; // Output index address
Bool sRingOverWrite;
void GetRingBufCount(void)
{
int r;
` r= sRingBufPut - sRingBufGet;
if ( r < cRingBufCount ) r+= cRingBufCount;
return r;
}
void InitRingBuffer(void)
{
sRingBufPut= 0;
sRingBufGet= 0;
}
void PutRingBuffer(int d)
{
sRingBuffer[sRingBufPut]= d;
if (sRingBufPut==sRingBufGet)// both address are like ziro
{
sRingBufPut= IncRingBufferPointer(sRingBufPut);
sRingBufGet= IncRingBufferPointer(sRingBufGet);
}
else //Put over write a data
{
sRingBufPut= IncRingBufferPointer(sRingBufPut);
if (sRingBufPut==sRingBufGet)
{
sRingOverWrite= Ture;
sRingBufGet= IncRingBufferPointer(sRingBufGet);
}
}
}
int GetRingBuffer(void)
{
int r;
if (sRingBufGet==sRingBufPut) return 0;
r= sRingBuf[sRingBufGet];
sRingBufGet= IncRingBufferPointer(sRingBufGet);
sRingOverWrite=False;
return r;
}
int IncRingBufferPointer(int a)
{
a+= 1;
if (a>= cRingBufCount) a= 0;
return a;
}
@Adam Rosenfield的solution虽然正确，但可以使用更轻量级的circular_buffer结构来实现，而不涉及count和capacity。
该结构只能保存以下4个指针：
buffer：指向内存中缓冲区的起始位置。buffer_end：指向内存中缓冲区的末尾位置。head：指向存储数据的末尾。tail：指向存储数据的起始位置。我们可以保留sz属性，以允许存储单位的参数化。
以上指针可以推导出count和capacity的值。
capacity很简单，它可以通过将buffer_end指针和buffer指针之间的距离除以存储单位sz来推导出（下面的代码片段是伪代码）：
capacity = (buffer_end - buffer) / sz
对于计数，情况会变得有些复杂。例如，在head和tail指向同一位置的情况下，无法确定缓冲区是空还是满。
为了解决这个问题，缓冲区应该为额外的元素分配内存。例如，如果我们循环缓冲区的期望容量是10 * sz，那么我们需要分配11 * sz。
容量公式将变为（以下代码片段是伪代码）：
capacity_bytes = buffer_end - buffer - sz
capacity = capacity_bytes / sz
head == tail
为了使缓冲区变满，head指针应该在tail指针的后面1个元素。因此，为了从head位置跳到tail位置所需覆盖的空间应等于1 * sz。
tail大于head:tail - head == sz
buffer_end - head 返回从头部跳到缓冲区末尾的空间。tail - buffer 返回从缓冲区开头跳到尾部所需的空间。1 * sz。(buffer_end - head) + (tail - buffer) == sz
=> buffer_end - buffer - head + tail == sz
=> buffer_end - buffer - sz == head - tail
=> head - tail == buffer_end - buffer - sz
=> head - tail == capacity_bytes
修改 @Adam Rosenfield 的代码，使用上述的 circular_buffer 结构：
#include <string.h>
#define CB_SUCCESS 0 /* CB operation was successful */
#define CB_MEMORY_ERROR 1 /* Failed to allocate memory */
#define CB_OVERFLOW_ERROR 2 /* CB is full. Cannot push more items. */
#define CB_EMPTY_ERROR 3 /* CB is empty. Cannot pop more items. */
typedef struct circular_buffer {
void *buffer;
void *buffer_end;
size_t sz;
void *head;
void *tail;
} circular_buffer;
int cb_init(circular_buffer *cb, size_t capacity, size_t sz) {
const int incremented_capacity = capacity + 1; // Add extra element to evaluate count
cb->buffer = malloc(incremented_capacity * sz);
if (cb->buffer == NULL)
return CB_MEMORY_ERROR;
cb->buffer_end = (char *)cb->buffer + incremented_capacity * sz;
cb->sz = sz;
cb->head = cb->buffer;
cb->tail = cb->buffer;
return CB_SUCCESS;
}
int cb_free(circular_buffer *cb) {
free(cb->buffer);
return CB_SUCCESS;
}
const int _cb_length(circular_buffer *cb) {
return (char *)cb->buffer_end - (char *)cb->buffer;
}
int cb_push_back(circular_buffer *cb, const void *item) {
const int buffer_length = _cb_length(cb);
const int capacity_length = buffer_length - cb->sz;
if ((char *)cb->tail - (char *)cb->head == cb->sz ||
(char *)cb->head - (char *)cb->tail == capacity_length)
return CB_OVERFLOW_ERROR;
memcpy(cb->head, item, cb->sz);
cb->head = (char*)cb->head + cb->sz;
if(cb->head == cb->buffer_end)
cb->head = cb->buffer;
return CB_SUCCESS;
}
int cb_pop_front(circular_buffer *cb, void *item) {
if (cb->head == cb->tail)
return CB_EMPTY_ERROR;
memcpy(item, cb->tail, cb->sz);
cb->tail = (char*)cb->tail + cb->sz;
if(cb->tail == cb->buffer_end)
cb->tail = cb->buffer;
return CB_SUCCESS;
}
int cb_push_back(circular_buffer *cb, const void *item)
{
void *new_head = (char *)cb->head + cb->sz;
if (new_head == cb>buffer_end) {
new_head = cb->buffer;
}
if (new_head == cb->tail) {
return 1;
}
memcpy(cb->head, item, cb->sz);
cb->head = new_head;
return 0;
}
int cb_pop_front(circular_buffer *cb, void *item)
{
void *new_tail = cb->tail + cb->sz;
if (cb->head == cb->tail) {
return 1;
}
memcpy(item, cb->tail, cb->sz);
if (new_tail == cb->buffer_end) {
new_tail = cb->buffer;
}
cb->tail = new_tail;
return 0;
}