架構設計：生產者/消費者模式 第5頁：環形緩衝區

[3]：環形緩衝區

    前一個帖子說起了隊列緩衝區可能存在的性能問題及解決方法：環形緩衝區。今天就專門來描述一下這個話題。

    爲了防止有人給咱扣上「過分設計」的大帽子，事先聲明一下：只有當存儲空間的分配／釋放很是頻繁而且確實產生了明顯的影響，你才應該考慮環形緩衝區的使 用。不然的話，仍是老老實實用最基本、最簡單的隊列緩衝區吧。還有一點須要說明一下：本文所說起的「存儲空間」，不只包括內存，還可能包括諸如硬盤之類的 存儲介質。

    ★環形緩衝區 vs 隊列緩衝區

    ◇外部接口類似

    在介紹環形緩衝區以前，我們先來回顧一下普通的隊列。普通的隊列有一個寫入端和一個讀出端。隊列爲空的時候，讀出端沒法讀取數據；當隊列滿（達到最大尺寸）時，寫入端沒法寫入數據。

    對於使用者來說，環形緩衝區和隊列緩衝區是同樣的。它也有一個寫入端（用於push）和一個讀出端（用於pop），也有緩衝區「滿」和「空」的狀態。因此，從隊列緩衝區切換到環形緩衝區，對於使用者來講能比較平滑地過渡。

    ◇內部結構迥異

    雖然二者的對外接口差很少，可是內部結構和運做機制有很大差異。隊列的內部結構此處就很少囉嗦了。重點介紹一下環形緩衝區的內部結構。

    大夥兒能夠把環形緩衝區的讀出端（如下簡稱R）和寫入端（如下簡稱W）想象成是兩我的在體育場跑道上追逐（R追W）。當R追上W的時候，就是緩衝區爲空；當W追上R的時候（W比R多跑一圈），就是緩衝區滿。

    爲了形象起見，去找來一張圖並略做修改，以下：

    從上圖能夠看出，環形緩衝區全部的push和pop操做都是在一個固定的存儲空間內進行。而隊列緩衝區在push的時候，可能會分配存儲空間用於存儲新元 素；在pop時，可能會釋放廢棄元素的存儲空間。因此環形方式相比隊列方式，少掉了對於緩衝區元素所用存儲空間的分配、釋放。這是環形緩衝區的一個主要優 勢。

    ★環形緩衝區的實現

    若是你手頭已經有現成的環形緩衝區可供使用，而且你對環形緩衝區的內部實現不感興趣，能夠跳過這段。

    ◇數組方式 vs 鏈表方式

    環形緩衝區的內部實現，便可基於數組（此處的數組，泛指連續存儲空間）實現，也可基於鏈表實現。

    數組在物理存儲上是一維的連續線性結構，能夠在初始化時，把存儲空間一次性分配好，這是數組方式的優勢。可是要使用數組來模擬環，你必須在邏輯上把數組的 頭和尾相連。在順序遍歷數組時，對尾部元素（最後一個元素）要做一下特殊處理。訪問尾部元素的下一個元素時，要從新回到頭部元素（第0個元素）。以下圖所 示：

    使用鏈表的方式，正好和數組相反：鏈表省去了頭尾相連的特殊處理。可是鏈表在初始化的時候比較繁瑣，並且在有些場合（好比後面提到的跨進程的IPC）不太方便使用。

    ◇讀寫操做

    環形緩衝區要維護兩個索引，分別對應寫入端（W）和讀取端（R）。寫入（push）的時候，先確保環沒滿，而後把數據複製到W所對應的元素，最後W指向下一個元素；讀取（pop）的時候，先確保環沒空，而後返回R對應的元素，最後R指向下一個元素。