二维数组8：设计题 RingBuffer的原理和实现

Posted 2021-08-27 纵横千里，捭阖四方

​RingBuffer是笔者在微博遇到的一个面试题。

RingBuffer的特征不需要记住，面试官会告诉你的，并且告诉你一些要求，然后根据这些要求来设计就行了。

RingBuffer这种结构的使用场景比较广泛，比如在Linux内核中网络数据包的缓存，系统日志的存储等多处使用过该结构。同时它也被广泛的应用于异步通信以及嵌入式设备中，提供高效的数据缓存读写操作。

一.环形缓冲器介绍

当有大量数据的时候，我们不能存储所有的数据，那么计算机处理数据的时候，只能先处理先来的，那么处理完后呢，就会把数据释放掉，再处理下一个。那么，已经处理的数据的内存就会被浪费掉。因为后来的数据只能往后排队，如果要将剩余的数据都往前移动一次，那么效率就会变得低下，肯定不现实，所以，环形队列就出现了。

圆形缓冲区（circular buffer），也称作圆形队列（circular queue），循环缓冲区（cyclic buffer），环形缓冲区（ring buffer），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。

环形缓冲区通常有一个读指针和一个写指针。读指针指向环形缓冲区中可读的数据，写指针指向环形缓冲区中可写的缓冲区。通过移动读指针和写指针就可以实现缓冲区的数据读取和写入。在通常情况下，环形缓冲区的读用户仅仅会影响读指针，而写用户仅仅会影响写指针。如果仅仅有一个读用户和一个写用户，那么不需要添加互斥保护机制就可以保证数据的正确性。如果有多个读写用户访问环形缓冲区，那么必须添加互斥保护机制来确保多个用户互斥访问环形缓冲区。

图1、图2和图3是一个环形缓冲区的运行示意图。图1是环形缓冲区的初始状态，可以看到读指针和写指针都指向第一个缓冲区处；图2是向环形缓冲区中添加了一个数据后的情况，可以看到写指针已经移动到数据块2的位置，而读指针没有移动；图3是环形缓冲区进行了读取和添加后的状态，可以看到环形缓冲区中已经添加了两个数据，已经读取了一个数据。

上面这些内容，面试官一般会告诉你，然后就会问你该怎么设计。

你会觉得循环链表不就行了吗？但是面试官会告诉你必须用定长数组，那该怎么做呢？

 二.满和空的解决方法

了解背景之后，你是否发现这里的关键问题是空间满和空的时候，整个数据结构看上去是一样的？那该怎么区分呢？

如果你能马上发现这一点，面试官会非常满意，因为你找到问题的关键了，但是该怎么解决呢？有多种策略可以用。

（1）总是保持一个存储单元为空

缓冲区中总是有一个存储单元保持未使用状态。缓冲区最多存入（size - 1） 个数据。如果读写指针指向同一位置，则缓冲区为空。如果写指针位于读指针的相邻后一个位置，则缓冲区为满。这种策略的优点是简单、鲁棒；缺点是语义上实际可存数据量与缓冲区容量不一致，测试缓冲区是否满需要做取余数计算。

（2）使用数据计数

这种策略不使用显式的写指针，而是保持着缓冲区内存储的数据的计数。因此测试缓冲区是空是满非常简单；对性能影响可以忽略。缺点是读写操作都需要修改这个存储数据计数，对于多线程访问缓冲区需要并发控制。

（3）镜像逻辑地址法

在国产的物联网操作系统RT-thread 中使用了一种非常特殊的方式来表示队满还是空。 大意是缓冲区的长度如果是n，逻辑地址空间则为0至n-1；那么，规定n至2n-1为镜像逻辑地址空间。本策略规定读写指针的地址空间为0至2n-1，其中低半部分对应于常规的逻辑地址空间，高半部分对应于镜像逻辑地址空间。

这种方式目前看上去比较好的介绍是这个文章，但是我仍然不知道具体是怎么工作的：

https://blog.csdn.net/lu_embedded/article/details/107308740 

如果你知道，请告诉我。

 三.java的实现

我们使用4个数字标记“队列的长度，元素的个数，读指针，写指针”

如果队列已满，不能写入元素

如果队列为空，不能拿出元素

package datastructure.list.ringbuffer;import java.util.Arrays;public class RingBuffer {  /**   * ringBuffer的总长度，最大能够存储的成员数   */  private int length;    /**   * ringBuffer内部存储的现有的成员数   */  private int size;    /**   * 写指针,代表下一次操作执行的位置   */  private int writePos;    /**   * 读指针,代表下一次操作执行的位置   */  private int readPos;    /**   * 放置成员的循环数组，长度为length   */  private Object[] list;      /**ringBuffer的构造函数<br>   * 初始化各种参数和object数组   * @param length  ringBuffer的总长度，最大能够存储的成员数   */  public RingBuffer(int length){    this.length=length;    list=new Object[length];    size=0;    writePos=0;    readPos=0;      }    /**显示ringBuffer已满，是否还能插入新的元素   * @return 如果数组已满，不能插入，返回true<br>如果能插入，返回false   */  public boolean isFull(){    if(size==length){      return true;    }    return false;  }    /**显示ringBuffer是否为空，是否还能取出元素   * @return 如果数组为空，不能取出元素，返回true <br> 如果能取出，返回false   */  public boolean isEmpty(){    if(size==0){      return true;    }    return false;  }    /**在ringBuffer中插入一个元素，在写指针处插入元素   * @param object  被插入的元素   * @return 如果成功插入，返回true<br> 如果队列已满，返回false   */  public boolean put(Object object){    if(isFull()){      //如果队列已满      return false;    }    if(writePos==length-1){      //如果这次写入的位置在队列的最后一个元素      list[writePos]=object;      //那么下次写入的位置为0      writePos=0;    }    else{      //这次写入的位置不是队列最后一个元素，那么现在writePos处写入，然后++      list[writePos++]=object;    }    //ringBuffer中的成员数增加    //size的处理在最后操作，防止size增加了，读操作却没有读到    size++;            return true;  }    /**从ringBuffer中取出一个元素   * @return 如果队列为空，返回null <br> 否则，返回读指针对应的元素   */  public Object take(){    if(isEmpty()){      return null;    }    Object result;    if(readPos==length-1){      //如果这次取出的位置在队列的最后一个元素      result=list[readPos];      //将对于位置的元素清空      list[readPos]=null;      readPos=0;    }    else{      result=list[readPos];      list[readPos++]=null;    }        size--;        return result;  }    public void printRingBuffer(){    System.out.println("开始打印环形缓冲区");    System.out.println("length=" + length + ", size=" + size + ", writePos=" + writePos + ", readPos=" + readPos);    for(int i=0;i<length;i++){      System.out.println("区域位置坐标:"+i+"  :"+list[i]);    }    System.out.println("打印环形缓冲区结束");    System.out.println();  }}

最后再写个测试类吧：

public class Main {   public static void main(String[] args) {    RingBuffer ringBuffer=new RingBuffer(5);    ringBuffer.put("0");    ringBuffer.put("1");    ringBuffer.put("2");    ringBuffer.put("3");    ringBuffer.put("4");    ringBuffer.put("5");    ringBuffer.take();    ringBuffer.take();    ringBuffer.put("5");    ringBuffer.printRingBuffer();    ringBuffer.take();    ringBuffer.take();    ringBuffer.take();    ringBuffer.take();    ringBuffer.take();    ringBuffer.printRingBuffer();    ringBuffer.put("5");    ringBuffer.printRingBuffer();  } }