1.概述
2. 原理
3. 使用场景
4. 实践
4.1 Github搜索
4.2 编写makefile
4.3 编译运行
5.总结
ring buffer称作环形缓冲区，也称作环形队列（circular queue），是一种用于表示一个固定尺寸、头尾相连的缓冲区的数据结构，适合缓存数据流。如下为环形缓冲区（ring buffer） 的概念示意图。
在任务间的通信、串口数据收发、log缓存、网卡处理网络数据包、音频/视频流处理中均有环形缓冲区（ring buffer） 的应用。在RT-Thread的ringbuffer.c和ringbuffer.h文件中，Linux内核文件kfifo.h和kfifo.c中也有环形缓冲区（ring buffer）的代码实现。
环形缓冲区的一些使用特点如下：
当一个数据元素被读取出后，其余数据元素不需要移动其存储位置；
适合于事先明确了缓冲区的最大容量的情形。缓冲区的容量（长度）一般固定，可以用一个静态数组来充当缓冲区，无需重复申请内存；
如果缓冲区的大小需要经常调整，就不适合用环形缓冲区，因为在扩展缓冲区大小时，需要搬移其中的数据，这种场合使用链表更加合适；
因为缓冲区成头尾相连的环形，写操作可能会覆盖未及时读取的数据，有的场景允许这种情况发生，有的场景又严格限制这种情况发生。选择何种策略和具体应用场景相关。
2. 原理
站在巨人的肩膀上，有文章已经介绍的很好了，参考文章：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/534098236
3. 使用场景
只要出现数据生产者和的可能速度快于数据消费者场景，就需要使用缓存buffer. 比如在汽车ECU控制器中（如座舱域控制器）MCU和SOC之间的通信（如MCU收到CAN数据，根据情况上传给SOC）肯定需要使用缓存buffer, 这个buffer还需要具有先进行出的特性，那么就需要ring buffer.
4. 实践
如果是学习的话，我们当然可以从0到1自己写一个，这样更加能锻炼我们的代码能力。如果是项目着急使用的话，我们首先考虑站在巨人的肩膀上看有没有开源现成的可以参考。
4.1 Github搜索
github上搜索ringbuffer, 找一个star数相对比较高的项目。
读下项目的README
项目在实际硬件平台上使用过，且有相关的测试代码，但是没有makefile，我们需要编写一个makefile来测试下。
Github链接：https://github.com/netube99/RingBuffer
4.2 编写makefile
makefile参考本公众号的系类文章：
编译链接专题第7篇-变量的高级主题（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)
测试代码：
//引用相关头文件//创建一个数组作为数据存储空间static uint8_t buffer[BUFFER_SIZE];//创建环形缓冲区句柄static ring_buffer rb;int main(void){//初始化环形缓冲区参数RB_Init(&rb, buffer, BUFFER_SIZE);//写入向环形缓冲区写入数据RB_Write_String(&rb, "hello world", 11);RB_Write_Byte(&rb, '!');RB_Write_Byte(&rb, 0x00);//删除环形缓冲区部分数据RB_Delete(&rb, 2);//获取已储存的数据长度uint32_t num = RB_Get_Length(&rb);//读出环形缓冲区中的数据并打印uint8_t get[16];RB_Read_String(&rb, get, num);printf("%s", get);//控制台输出内容//llo world!return 0;}
4.3 编译运行
编译这个开源项目，生成可执行文件ringbuffer.exe
执行ringbuffer.exe，结果符合测试代码的预期。
5.总结
本文没有详细赘述ringbuffer的原理（参考文章中有详细介绍），着重介绍了项目中需要使用ringbuffer的场景，同时介绍了实际工程中如何从github中获取开源项目并编译运行起来。
ringbuffer的源码如下：
ring_buffer.h
/*** \file ring_buffer.h* \brief 简易环形缓冲相关定义与声明* \author netube_99\netube@163.com* \date 2022.08.20* \version v0.4.0*///返回值定义//环形缓冲区结构体typedef struct{uint32_t head ; //操作头指针uint32_t tail ; //操作尾指针uint32_t Length ; //已储存的数据量uint8_t *array_addr ; //缓冲区储存数组基地址uint32_t max_Length ; //缓冲区最大可储存数据量}ring_buffer;uint8_t RB_Init(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *buffer_addr ,uint32_t buffer_size); //初始化基础环形缓冲区uint8_t RB_Delete(ring_buffer *rb_handle, uint32_t Length); //从头指针开始删除指定长度的数据uint8_t RB_Write_Byte(ring_buffer *rb_handle, uint8_t data); //向缓冲区尾指针写一个字节uint8_t RB_Write_String(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *input_addr, uint32_t write_Length); //向缓冲区尾指针写指定长度数据uint8_t RB_Read_Byte(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *output_addr); //从缓冲区头指针读一个字节uint8_t RB_Read_String(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *output_addr, uint32_t read_Length); //从缓冲区头指针读指定长度数据uint32_t RB_Get_Length(ring_buffer *rb_handle); //获取缓冲区里已储存的数据长度uint32_t RB_Get_FreeSize(ring_buffer *rb_handle); //获取缓冲区可用储存空间
ring_buffer.c
/*** \file ring_buffer.c* \brief 简易环形缓冲的实现* \author netube_99\netube@163.com* \date 2022.08.20* \version v0.4.0*/#include#include#include "ring_buffer.h"/*** \brief 初始化新缓冲区* \param[out] rb_handle: 待初始化的缓冲区结构体句柄* \param[in] buffer_addr: 外部定义的缓冲区数组，类型必须为 uint8_t* \param[in] buffer_size: 外部定义的缓冲区数组空间* \return 返回缓冲区初始化的结果* \arg RING_BUFFER_SUCCESS: 初始化成功* \arg RING_BUFFER_ERROR: 初始化失败*/uint8_t RB_Init(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *buffer_addr ,uint32_t buffer_size){//缓冲区数组空间必须大于2且小于数据类型最大值if(buffer_size < 2 || buffer_size == 0xFFFFFFFF)return RING_BUFFER_ERROR ; //初始化失败rb_handle->head = 0 ; //复位头指针rb_handle->tail = 0 ; //复位尾指针rb_handle->Length = 0 ; //复位已存储数据长度rb_handle->array_addr = buffer_addr ; //缓冲区储存数组基地址rb_handle->max_Length = buffer_size ; //缓冲区最大可储存数据量return RING_BUFFER_SUCCESS ; //缓冲区初始化成功}/*** \brief 从头指针开始删除指定长度的数据* \param[out] rb_handle: 缓冲区结构体句柄* \param[in] Length: 要删除的长度* \return 返回删除指定长度数据结果* \arg RING_BUFFER_SUCCESS: 删除成功* \arg RING_BUFFER_ERROR: 删除失败*/uint8_t RB_Delete(ring_buffer *rb_handle, uint32_t Length){if(rb_handle->Length < Length)return RING_BUFFER_ERROR ;//已储存的数据量小于需删除的数据量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 ; //头指针向前推进，抛弃数据rb_handle->Length -= Length ; //重新记录有效数据长度return RING_BUFFER_SUCCESS ;//已储存的数据量小于需删除的数据量}}/*** \brief 向缓冲区尾部写一个字节* \param[out] rb_handle: 缓冲区结构体句柄* \param[in] data: 要写入的字节* \return 返回缓冲区写字节的结果* \arg RING_BUFFER_SUCCESS: 写入成功* \arg RING_BUFFER_ERROR: 写入失败*/uint8_t RB_Write_Byte(ring_buffer *rb_handle, uint8_t data){//缓冲区数组已满，产生覆盖错误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，存放数据rb_handle->Length ++ ;//数据量计数+1rb_handle->tail ++ ;//尾指针后移}//如果尾指针超越了数组末尾，尾指针指向缓冲区数组开头，形成闭环if(rb_handle->tail > (rb_handle->max_Length - 1))rb_handle->tail = 0 ;return RING_BUFFER_SUCCESS ;}/*** \brief 从缓冲区头指针读取一个字节* \param[out] rb_handle: 缓冲区结构体句柄* \param[out] output_addr: 读取的字节保存地址* \return 返回读取状态* \arg RING_BUFFER_SUCCESS: 读取成功* \arg RING_BUFFER_ERROR: 读取失败*/uint8_t RB_Read_Byte(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *output_addr){if (rb_handle->Length != 0)//有数据未读出{*output_addr = *(rb_handle->array_addr + rb_handle->head);//读取数据rb_handle->head ++ ;rb_handle->Length -- ;//数据量计数-1//如果头指针超越了数组末尾，头指针指向数组开头，形成闭环if(rb_handle->head > (rb_handle->max_Length - 1))rb_handle->head = 0 ;return RING_BUFFER_SUCCESS ;}return RING_BUFFER_ERROR ;}/*** \brief 向缓冲区尾部写指定长度的数据* \param[out] rb_handle: 缓冲区结构体句柄* \param[out] input_addr: 待写入数据的基地址* \param[in] write_Length: 要写入的字节数* \return 返回缓冲区尾部写指定长度字节的结果* \arg RING_BUFFER_SUCCESS: 写入成功* \arg RING_BUFFER_ERROR: 写入失败*/uint8_t RB_Write_String(ring_buffer *rb_handle, uint8_t *input_addr, uint32_t write_Length){//如果不够存储空间存放新数据,返回错误if((rb_handle->Length + write_Length) > (rb_handle->max_Length))return RING_BUFFER_ERROR ;else{//设置两次写入长度uint32_t write_size_a, write_size_b ;//如果顺序可用长度小于需写入的长度，需要将数据拆成两次分别写入if((rb_handle->max_Length - rb_handle->tail) < write_Length){write_size_a = rb_handle->max_Length - rb_handle->tail ;//从尾指针开始写到储存数组末尾write_size_b = write_Length - write_size_a ;//从储存数组开头写数据//分别拷贝a、b段数据到储存数组中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 ;//记录新存储了多少数据量rb_handle->tail = write_size_b ;//重新定位尾指针位置}else//如果顺序可用长度大于或等于需写入的长度，则只需要写入一次{write_size_a = write_Length ;//从尾指针开始写到储存数组末尾memcpy(rb_handle->array_addr + rb_handle->tail, input_addr, write_size_a);rb_handle->Length += write_Length ;//记录新存储了多少数据量rb_handle->tail += write_size_a ;//重新定位尾指针位置if(rb_handle->tail == rb_handle->max_Length)rb_handle->tail = 0 ;//如果写入数据后尾指针刚好写到数组尾部，则回到开头，防止越位}return RING_BUFFER_SUCCESS ;}}/*** \brief 从缓冲区头部读指定长度的数据，保存到指定的地址* \param[out] rb_handle: 缓冲区结构体句柄* \param[out] output_addr: 读取的数据保存地址* \param[in] read_Length: 要读取的字节数* \return 返回缓冲区头部读指定长度字节的结果* \arg RING_BUFFER_SUCCESS: 读取成功* \arg RING_BUFFER_ERROR: 读取失败*/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 ;//记录剩余数据量rb_handle->head = Read_size_b ;//重新定位头指针位置}else{Read_size_a = read_Length ;memcpy(output_addr, rb_handle->array_addr + rb_handle->head, Read_size_a);rb_handle->Length -= read_Length ;//记录剩余数据量rb_handle->head += Read_size_a ;//重新定位头指针位置if(rb_handle->head == rb_handle->max_Length)rb_handle->head = 0 ;//如果读取数据后头指针刚好写到数组尾部，则回到开头，防止越位}return RING_BUFFER_SUCCESS ;}}/*** \brief 获取缓冲区里已储存的数据长度* \param[in] rb_handle: 缓冲区结构体句柄* \return 返回缓冲区里已储存的数据长度*/uint32_t RB_Get_Length(ring_buffer *rb_handle){return rb_handle->Length ;}/*** \brief 获取缓冲区可用储存空间* \param[in] rb_handle: 缓冲区结构体句柄* \return 返回缓冲区可用储存空间*/uint32_t RB_Get_FreeSize(ring_buffer *rb_handle){return (rb_handle->max_Length - rb_handle->Length) ;}
main.c和makefile文件见前文。
End
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End
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