c++缓冲池循环队列实现

Posted 2021-09-13 鲸冬香

承接上周任务，目的效果是写线程将数据写入缓冲区，读线程获取缓冲区中的数据。

缓冲区

数据结构

所谓缓冲区，就是开辟一段内存空间来保存数据，主要包括的属性为储存数据的内存空间，缓冲区长度，已使用的长度。对应的方法为将数据写入缓冲区，从缓冲区中读入数据，设置已写入的缓冲区长度。所建立的数据结构为:

class Buffer {
private:
    USHORT* buffer;    // 缓冲区
    int maxSize;    // 缓冲区最大长度
    int effectiveSize;    // 已经使用长度
public:
    Buffer(int bufferSize);        // 设置缓冲区大小

    void setEffectiveSize(int size);    // 设置缓冲区已用数据

    void write(std::function<int(USHORT*, int)> const& writeBuffer);    // 将数据写入缓冲区

    void read(std::function<void(USHORT*, int, int)> const& readBuffer);    // 从缓冲区中读取数据

    ~Buffer();
};

这里write方法和read方法接受的参数为c++11定义的lambda表达式。例std::function<int(USHORT*, int)> const& writeBuffer代表传入一个lambda表达式，接受参数为USHORT*, int。

具体实现

1. 构造函数实现:
   将缓冲区大小作为参数传递给构造函数，在构造函数中申请内存空间，并设置相应属性。
2. write和read函数实现
   将缓冲区数据和缓冲区长度作为参数传入lambda表达式参数并调用。

Buffer::Buffer(int size) {
    this->maxSize = size;
    this->effectiveSize = 0;
    this->buffer = new USHORT[size];
}

void Buffer::setEffectiveSize(int size) {
    this->effectiveSize = size;
}

/**
* writeBuffer: lambda表达式，接受参数为  USHORT*:缓冲区数据 int:缓冲区最大长度, 返回int:写入数据的长度
*/
void Buffer::write(std::function<int(USHORT*, int)> const& writeBuffer) {
    this->effectiveSize = writeBuffer(this->buffer, this->maxSize);
}

/**
* readBuffer: lambda表达式，接受参数为  USHORT*:缓冲区数据 int:缓冲区有效长度 int:缓冲区最大长度  返回void
*/
void Buffer::read(std::function<void(USHORT*, int, int)> const& readBuffer) {
    readBuffer(this->buffer, this->effectiveSize, this->maxSize);
}

对于同一个缓冲区，write和read操作因该是互斥的，否则就会导致数据错乱。因此需要信号量的实现来保证write和read互斥。

信号量实现

关于c++信号量可参考这篇文章:C++ 并发编程（六）：信号量（Semaphore）

class Semaphore {
private:
    std::mutex mutex;    // 互斥量
    std::condition_variable cv;    // 条件变量
    int count;    // 可用资源数
public:
    Semaphore(int count = 0);

    void singal();    // 释放一个资源
        
    void wait();    // 等待一个资源
};

Semaphore::Semaphore(int count) {
    if (count < 0) { throw "可用资源不能小于0"; }
    this->count = count;
}

/**
* 释放资源
*/
void Semaphore::singal() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(this->mutex);
    ++this->count;
    this->cv.notify_one();
}

/**
* 申请资源
*/
void Semaphore::wait() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(this->mutex);
    this->cv.wait(lock, [=] { return count > 0; });        // reutrn true时往下执行
    --this->count;
}

完善缓冲区

在缓冲区数据结构中加入信号量:

class Buffer {
private:
    ......
    Semaphore* sem;        // 使用信号量保证缓冲区使用互斥
};

在write和read方法中使用信号量实现互斥。

Buffer::Buffer(int size) {
    .......
    this->sem = new Semaphore(1);
}

/**
* 将数据写入缓冲区，互斥操作
* writeBuffer: lambda表达式，接受参数为  USHORT*:缓冲区数据 int:缓冲区最大长度, 返回int:写入数据的长度
*/
void Buffer::write(std::function<int(USHORT*, int)> const& writeBuffer) {
    this->sem->wait();
    this->effectiveSize = writeBuffer(this->buffer, this->maxSize);
    this->sem->singal();
}

/**
* 读取缓冲区数据，互斥操作
* readBuffer: lambda表达式，接受参数为  USHORT*:缓冲区数据 int:缓冲区有效长度 int:缓冲区最大长度  返回void
*/
void Buffer::read(std::function<void(USHORT*, int, int)> const& readBuffer) {
    this->sem->wait();
    readBuffer(this->buffer, this->effectiveSize, this->maxSize);
    this->sem->singal();
}

缓冲池

缓冲池实际上就是缓冲区的集合。通过缓冲池来分配缓冲区。

数据结构

/**
* 缓冲池定义，存储并分配缓冲区
*/
class BufferPool {
private:
    int head, tail;    // 头尾指针
    Buffer** buffers;    // 缓冲池
    int total, lenth;    // 缓冲区总个数和以使用个数

public:
    BufferPool(int count = 10, int bufferSize = DEFAULT_BUFFER_SIZE);  // 构造函数  count:缓冲区个数  bufferSize:缓冲区大小

    Buffer* getBuffer();    // 获取一个缓冲区

    Buffer* popBuffer();    // 取得头缓冲区并弹出

    bool empty();        // 缓冲池是否为空

    bool full();        // 缓冲池是否已满

    ~BufferPool();

};

具体实现

要保证按数据写入的顺序读出，应该把缓冲池设计为队列，保证读取时缓冲区总是最先写入的，同时写入时获得的缓冲区是最末尾的缓冲区。同时为了保证缓冲区循环利用，将缓冲池设计为循环队列。

对于循环队列，当头指针和尾指针相等时，有两种情况。一种是队列为空(未分配缓冲区)，另一种是队列已满(所有缓冲区都被分配)。解决方法一般有两种，第一种是牺牲一个存储空间，当尾指针指向的下一位为头指针时，即队列为满。另一种是增加标志位来判断当头尾指针相同时，当前队列的状态。

由于本项目一个缓冲区设置空间较大，所以采用第二种方法，增加lenth属性表示当前使用的缓冲区个数，用来判断队列为空或满。

BufferPool::BufferPool(int count, int bufferSize) {
    this->head = 0;
    this->tail = 0;
    this->lenth = 0;
    this->total = count;

    this->buffers = new Buffer*[count];
    for (int i = 0; i < count; i ++) {
        this->buffers[i] = new Buffer(bufferSize);
    }
}

/**
* 获取一个缓冲区 当缓冲池已满时，覆盖旧数据
*/
Buffer* BufferPool::getBuffer() {
    Buffer* buffer = this->buffers[this->tail];
    // tail指针指向下一个缓冲区，如果当前缓冲池已满，头指针下移
    this->tail = (this->tail + 1) % this->total;
    this->lenth++;
    if (this->lenth > this->total) {
        this->head = (this->head + 1) % this->total;
        this->lenth = this->total;
    }
    return buffer;
}

/**
* 获取头缓冲区并弹出
*/
Buffer* BufferPool::popBuffer() {
    if (this->lenth == 0) { throw "缓冲池为空"; }
    Buffer* buffer = this->buffers[this->head];
    this->head = (this->head + 1) % this->total;
    this->lenth--;
    return buffer;
}

BufferPool::~BufferPool() {
    for (int i = 0; i < this->total; i ++) {
        delete this->buffers[i];
        this->buffers[i] = NULL;
    }
    delete this->buffers;
    this->buffers = NULL;
}

bool BufferPool::empty() {
    return this->lenth == 0;
}

bool BufferPool::full() {
    return this->lenth == this->total;
}

测试

按照上次汇报，从缓冲池中获取缓冲区，并将数据写入缓冲区。

// 用缓冲池来保存数据
BufferPool* bufferPool = new BufferPool();
// 获取一个缓冲区并将AD数据写入
bufferPool->getBuffer()->write([&](USHORT* buffer, int maxSize) {
    if (!ACTS1000_ReadDeviceAD(hDevice, buffer, maxSize, &nRetSizeWords, &nAvailSampsPoints, 5.0)) // 采集数据，将数据保存到ADBuffer中，nRetSizeWords代表实际共读取了多少个点
    {
        printf("ReadDeviceDmaAD error...\\n");
        _getch();
    }
    return nRetSizeWords;
});

获取缓冲区数据:

while (!bufferPool->empty()) {
    bufferPool->popBuffer()->read([&](USHORT* ADBuffer, int eff, int maxSize) {
        for (int Index = 0; Index < 2; Index++)
        {
            printf("%d:%hu", Index, ADBuffer[Index]);
        }
    });
}