linux+环形buffer

Linux 环形缓冲区（Circular Buffer）基础概念

环形缓冲区，也称为循环缓冲区或环形队列，是一种数据结构，它在固定大小的数组中存储数据。当缓冲区满时，新的数据会覆盖旧的数据，从而形成一个“环形”的效果。这种数据结构在多线程编程、实时系统和嵌入式系统中非常有用，因为它可以高效地处理数据的读写操作。

环形缓冲区的优势

高效的数据读写：环形缓冲区允许在固定大小的数组中进行高效的读写操作，不需要频繁地分配和释放内存。
避免数据丢失：当缓冲区满时，新的数据会覆盖旧的数据，这样可以确保系统不会因为缓冲区溢出而丢失数据。
简化编程模型：环形缓冲区提供了一种简单的方式来管理数据的读写，特别是在多线程环境中，可以避免复杂的锁机制。

环形缓冲区的类型

单生产者单消费者（SPSC）：只有一个线程负责写入数据，另一个线程负责读取数据。
多生产者单消费者（MPSC）：多个线程负责写入数据，一个线程负责读取数据。
单生产者多消费者（SPMC）：一个线程负责写入数据，多个线程负责读取数据。
多生产者多消费者（MPMC）：多个线程负责写入数据，多个线程负责读取数据。

应用场景

音频和视频处理：在实时音频和视频处理中，环形缓冲区可以用来存储和处理数据流。
网络通信：在网络通信中，环形缓冲区可以用来存储接收到的数据包，以便后续处理。
嵌入式系统：在嵌入式系统中，环形缓冲区可以用来存储传感器数据和控制命令。

示例代码

以下是一个简单的单生产者单消费者环形缓冲区的实现示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>

#define BUFFER_SIZE 10

typedef struct {
    int buffer[BUFFER_SIZE];
    int head;
    int tail;
    int count;
    pthread_mutex_t lock;
    pthread_cond_t not_empty;
    pthread_cond_t not_full;
} CircularBuffer;

void cb_init(CircularBuffer *cb) {
    cb->head = 0;
    cb->tail = 0;
    cb->count = 0;
    pthread_mutex_init(&cb->lock, NULL);
    pthread_cond_init(&cb->not_empty, NULL);
    pthread_cond_init(&cb->not_full, NULL);
}

void cb_push(CircularBuffer *cb, int item) {
    pthread_mutex_lock(&cb->lock);
    while (cb->count == BUFFER_SIZE) {
        pthread_cond_wait(&cb->not_full, &cb->lock);
    }
    cb->buffer[cb->head] = item;
    cb->head = (cb->head + 1) % BUFFER_SIZE;
    cb->count++;
    pthread_cond_signal(&cb->not_empty);
    pthread_mutex_unlock(&cb->lock);
}

int cb_pop(CircularBuffer *cb) {
    pthread_mutex_lock(&cb->lock);
    while (cb->count == 0) {
        pthread_cond_wait(&cb->not_empty, &cb->lock);
    }
    int item = cb->buffer[cb->tail];
    cb->tail = (cb->tail + 1) % BUFFER_SIZE;
    cb->count--;
    pthread_cond_signal(&cb->not_full);
    pthread_mutex_unlock(&cb->lock);
    return item;
}

void *producer(void *arg) {
    CircularBuffer *cb = (CircularBuffer *)arg;
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        cb_push(cb, i);
        printf("Produced: %d\n", i);
    }
    return NULL;
}

void *consumer(void *arg) {
    CircularBuffer *cb = (CircularBuffer *)arg;
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        int item = cb_pop(cb);
        printf("Consumed: %d\n", item);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    CircularBuffer cb;
    cb_init(&cb);

    pthread_t producer_thread, consumer_thread;
    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, &cb);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, &cb);

    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    return 0;
}