C++环形缓冲区

环形缓冲区（ring buffer）也称作循环缓冲区（cyclic buffer）、圆形队列（circular queue）、圆形缓冲区（circular buffer）。环形缓冲区并不是指物理意义上的一个首尾相连成“环”的缓冲区，而是逻辑意义上的一个环，因为内存空间是线性结构，所以实际上环形缓冲区仍是一段有长度的内存空间，是一个先进先出功能的缓冲区，具备实现通信进程对该缓冲区的互斥访问功能。

环形缓冲区的长度是固定的，在使用该缓冲区时，不需要将所有的数据清除，只需要调整指向该缓冲区的pHead、pValidWrite和pTail指针位置即可。pValidWrite指针最先指向pHead指针位置（环形缓冲区开头位置），数据从pValidWrite指针处开始存储，每存储一个数据，pValidWrite指针位置向后移动一个长度 ，随着数据的添加，pValidWrite指针随移动数据长度大小个位置。当pValidWrite指向pTail尾部指针，pValidWrite重新指向pHead指针位置（折行处理），并且覆盖原先位置数据内容直到数据存储完毕。

一般构建一个环形缓冲区需要一段连续的内存空间以及4个指针：

pHead指针：指向内存空间中的首地址；

pTail指针：指向内存空间的尾地址；

pValidRead：指向内存空间存储数据的起始位置（读指针）；

pValidWrite：指向内存空间存储数据的结尾位置（写指针）。

当申请完内存以及指针定义完毕后，环形缓冲区说明及使用如下：

1.该段内存空间的长度是Len = pTail-pHead；

2.pValidRead是读数据的起始位置，当读取完N数据之后要移动N个单位长度的偏移，当有addlen长度的数据要存入到环形缓冲区，若addlen + pValidWrite > pTail时，pValidWrite将存入len1 = pTail - pValidWrite个数据长度，然后pValidWrite回到pHead位置，将剩下的len2 = addlen - len1个数据从pHead开始存储并覆盖到原来的数据内容。

3.pValidWrite是写数据的起始位置，当存入N个数据之后要移动N个单位长度的偏移，pValidRead是读数据的起始位置，当读取N个数据之后要移动N个单位长度的偏移。当要addlen长度的数据要从环形缓冲区读取，若addlen + pValidRead > pTail时，pValidRead 将读取len1 = pTail - pValidRead 个数据长度，然后pValidRead 回到pHead位置，将剩下的len2 = addlen - len1个数据从pHead开始读取完毕。

文件1：ringbuffer.h

Ringbuffer.h
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>   //引入malloc动态分配内存
#include<stdint.h>  //引入uint32_t，32位无符号整形
#include<string.h>  //引入memcpy内存拷贝函数
 
void InitRingBuffer();   
void FreeRingBuffer();
int WriteRingBuffer(uint32_t *pData,int Data_Size);
int ReadRingBuffer(uint32_t* pData, int Data_Size);
int GetRingBufferValidSize();

 文件2：ringbuffer.cpp

Ringbuffer.cpp
#include"RingBuffer.h"
#define BUFFER_SIZE 16  //环形存储区长度
 
uint32_t* pHead = NULL; //环形缓冲区首地址
uint32_t* pTail = NULL; //环形缓冲区尾地址
uint32_t* pRead = NULL; //读指针
uint32_t* pWrite = NULL; //写指针
int BUFFER_VALID_SIZE; //环形存储区存储的数据大小
 
//初始化环形缓冲区
void InitRingBuffer()
{
	if (pHead == NULL)
	{
		pHead = (uint32_t*)malloc(BUFFER_SIZE);
	}
	pRead = pHead;
	pWrite = pHead;
	pTail = pHead + BUFFER_SIZE;
	BUFFER_VALID_SIZE = 0;
}
//释放环形缓冲区
void FreeRingBuffer()
{
	if (pHead != NULL) //当存在缓冲区时
	{
		free(pHead);  //释放
	}
	pHead = NULL;  //重新令环形器起始地址为空
	BUFFER_VALID_SIZE = 0;
}
//写命令
int WriteRingBuffer(uint32_t* pData, int Data_Size)
{
	if (pHead == NULL)  //缓冲区未初始化
	{
		printf("Writing Failed! The ringbuffer is not inited!\n");
		return -1;
	}
	if (Data_Size > BUFFER_SIZE)  //加入数据过多
	{
		printf("Writing Failed! The input data size exceeds the ringbuffer size!\n");
		return -2;
	}
	if (pWrite+Data_Size>pTail)
		//将数据存入缓冲区，但是数据需要分成两段
	{
		int Data_Part1 = pTail - pWrite; //存放在靠近尾部的Data部分
		int Data_Part2 = Data_Size - Data_Part1;//存放在靠近头部的Data部分
		memcpy(pWrite, pData, Data_Part1 * sizeof(uint32_t));
		memcpy(pHead, pData+Data_Part1, Data_Part2 * sizeof(uint32_t));
		pWrite = pHead + Data_Part2; //更新写指针
		BUFFER_VALID_SIZE = BUFFER_SIZE;
	}
	else //不用分段
	{
		memcpy(pWrite, pData, Data_Size * sizeof(uint32_t));
		pWrite += Data_Size;//更新写指针
		BUFFER_VALID_SIZE += Data_Size;
	}
	return 0;
}
//读命令
int ReadRingBuffer(uint32_t* pData, int Data_Size)
{
	if (pHead == NULL)  //缓冲区未初始化
	{
		printf("Reading Failed! The ringbuffer is not inited!\n");
		return -1;
	}
 
	if (Data_Size > pTail-pHead)  //读出数据过多，超出BUFFER大小
	{
		printf("Reading Failed! The reading data size exceeds the ringbuffer size!\n");
		return -2;
	}
	//无数据读出
	if (Data_Size == 0)
	{
		printf("Reading Failed! No data exists!\n");
		return 0;
	}
	//判断是否需要分成两段读出
	if (pRead + Data_Size > pTail)
	{
		int Data_Part1 = pTail - pRead; 
		int Data_Part2 = Data_Size - Data_Part1;
		memcpy(pData, pRead, Data_Part1 * sizeof(uint32_t));
		memcpy(pData + Data_Part1, pHead, Data_Part2 * sizeof(uint32_t));
		pRead = pHead + Data_Part2;
		BUFFER_VALID_SIZE -= Data_Size;
	}
	else
	{
		memcpy(pData, pRead, Data_Size * sizeof(uint32_t));
		pRead += Data_Size;
		BUFFER_VALID_SIZE -= Data_Size;
	}
	return 1;
}
//获取当前缓冲区有效长度，即存储的数据个数
int GetRingBufferValidSize()
{
	return BUFFER_VALID_SIZE;
}

 文件3：main.cpp

#include"RingBuffer.h"
#include<iostream>
 
int main()
{
	//InitRingBuffer();
	std::cout << "---------------------------------" << std::endl;
	std::cout << "Input your choice:" << std::endl;
	std::cout << "1. Initializatize the ring buffer." << std::endl;
	std::cout << "2. Delete the ring buffer." << std::endl;
	std::cout << "3. Write the ring buffer." << std::endl;
	std::cout << "4. Read the ring buffer." << std::endl;
	std::cout << "---------------------------------" << std::endl;
	int choice;
	
	int Len;   //存储当前环形缓冲区的数据长度
	uint32_t ReadData[5];  //存储读出的数据
	uint32_t data[5] = {1,2,3,4,5,};   //假设有5个读入的数据
	int Data_Size = 5;  //数据大小，占20个字节
 
	while (1)
	{
		std::cin >> choice;
		switch (choice)
		{
		case 1: InitRingBuffer();
			std::cout << "缓冲区初始化成功！" << std::endl;
			break; 
		case 2: FreeRingBuffer();
			std::cout << "缓冲区释放成功！" << std::endl;
			return 1;
		case 3:
			std::cout << "执行数据拷贝！" << std::endl;
			WriteRingBuffer(data,  Data_Size);
		    break;
		case 4:
			Len = GetRingBufferValidSize();
				std::cout << "当前缓冲区存储的数据个数：" << Len << std::endl;
				ReadRingBuffer(ReadData, Data_Size);
				if (Len > 0)
				{
					std::cout << "读取环形存储区的数据为：" << std::endl;
					for (int i = 0; i < Len; i++)
					{
						std::cout << ReadData[i] << std::endl;
					}
				}
				else
				{
					std::cout << "当前缓冲区无数据！" << std::endl;
				}
		    break;
		default:
			break;
		}
	}
	system("pause");
	return 1;
}