背景
环形缓冲器（ringr 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。
在使用上，它就是一个固定长度的FIFO队列：
在逻辑上，我们可以把它当成是一个环，上面有两个指针代表当前写索引和读索引：
在实现上，我们一般是使用一个数组去实现这个环，当索引到达数组尾部的时候，则重新设置为头部：
kfifo实现
kfifo是Linux内核的队列实现，它具有以下特性：
- 固定长度：长度是固定的，而且是向上取最小的2的平方，主要是为了实现快速取余。
- 无锁：在单生产者和单消费者的情况下，是不需要加锁的。主要是因为索引in和out是不回退的，一直往前。
- 快速取余：我们都直到到达队列末尾的时候，索引需要回退到开头。最简单的实现方式就是对索引取余，比如索引in现在是8，队列长度是8，
in%len(q)即可回退到开头，但是取余操作%还是比较耗时的，因此kfifo使用in&mask实现快速取余，其中mask=len(q)-1。
无锁
上面我们说到，这个无锁是有条件的，也就是必须在单生产者单消费者情况下。这种情况下，同一时刻最多只可能会有一个写操作和一个读操作。但是在某一个读操作（或写操作）的期间，可能会有多个写操作（或读操作）发生。
因为索引in和out是不回退的，因此in一直会在out前面（或者重合）。而且in只被写操作修改，out只被读操作修改，因此不会冲突。
这里可能有人会担心索引溢出的问题，比如in到达math.MaxUint64，再+1则回到0。但是其实并不影响in和out之间的距离：
package main
import (
"fmt"
"math"
)
func main() {
var in uint = math.MaxUint64
var out uint = math.MaxUint64 - 1
fmt.Println(in - out) // 1
in++
fmt.Println(in - out) // 2
out++
fmt.Println(in - out) // 1
}
当然如果连续两次溢出，就会出现问题。但是由于数组长度是int类型，因此也没办法超过math.MaxUint64，也就是in和out之间的距离最多也就是2^62，因为math.MaxInt64是2^63-1，没办法向上取2的平方了。因此也不会出现溢出两倍math.MaxUint64的情况，早在溢出之前就队列满了。
快速取余
前面提到取余是通过in&mask实现的，这有一个前提条件，也就是长度必须是2的次方，因此在创建数组的时候，长度会向上取最小的2的平方。例如一个长度为8的kfifo，在二进制表示下：
len = 0000 1000 // 十进制8，队列长度 mask = 0000 0111 // 十进制7，掩码 in = 0000 0000 // 十进制0，写索引 in & mask => 0000 0000 // 十进制0，使用 & mask in % len => 0000 0000 // 十进制0，使用 % len in = 0000 0001 // 十进制1，写索引 in & mask => 0000 0001 // 十进制1，使用 & mask in % len => 0000 0001 // 十进制1，使用 % len in = 0000 0001 // 十进制1，写索引 in & mask => 0000 0001 // 十进制1，使用 & mask in % len => 0000 0001 // 十进制1，使用 % len in = 0000 1000 // 十进制8，写索引 in & mask => 0000 0000 // 十进制0，使用 & mask in % len => 0000 0000 // 十进制0，使用 % len in = 0001 0001 // 十进制17，写索引 in & mask => 0000 0001 // 十进制1，使用 & mask in % len => 0000 0001 // 十进制1，使用 % len
可以看到，使用& mask的效果是和% len一样的。
然后我们做一个简单的性能测试：
package main
import "testing"
var (
Len = 8
Mask = Len - 1
In = 8 - 5
)
// % len
func BenchmarkModLen(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
_ = In % Len
}
}
// & Mask
func BenchmarkAndMask(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
_ = In & Mask
}
}
测试结果：
BenchmarkModLen-8 1000000000 0.3434 ns/op
BenchmarkAndMask-8 1000000000 0.2520 ns/op
可以看到& mask性能确实比% len好很多，这也就是为什么要用& Mask来实现取余的原因了。
数据结构
数据结构和上面介绍的一样，in、out标识当前读写的位置；mask是size-1，用于取索引，比%size更加高效；
type Ring[T any] struct {
in uint64 // 写索引
out uint64 // 读索引
mask uint64 // 掩码，用于取索引，代替%size
size uint64 // 长度
data []T // 数据
}
Push()
Push()操作很简单，首先r.in & r.mask得到写索引，让写索引前进一格，然后存入数据。
// 插入元素到队尾
func (r *Ring[T]) Push(e T) {
if r.Full() {
panic("ring full")
}
in := r.in & r.mask
r.in++
r.data[in] = e
}
Pop()
Pop()操作同理，根据r.out & r.mask得到读索引，让读索引前进一格，然后读取数据。
// 弹出队头元素
func (r *Ring[T]) Pop() T {
if r.Empty() {
panic("ring emtpy")
}
out := r.out & r.mask
r.out++
return r.data[out]
}
性能测试
Round实现是使用& mask，同时长度会向上取2的平方；Fix实现是使用% size保持参数的长度。
测试代码是不断的Push()然后Pop()：
func BenchmarkRoundPushPop(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
r := New[int](RoundFixSize)
for j := 0; j < RoundFixSize; j++ {
r.Push(j)
}
for j := 0; j < RoundFixSize; j++ {
r.Pop()
}
}
}
测试结果：& mask的性能明显好于% size。
BenchmarkRoundPushPop-8 2544 405621 ns/op // & mask
BenchmarkFixPushPop-8 678 1740489 ns/op // % size
无界环形缓冲器
我们可以在写数据的时候判断是否空间已满，如果已满我们可以进行动态扩容，从而实现一个无界环形缓冲器。
Push()
在Push()时检查到空间满时，调用grow()扩展空间即可：
// 插入元素到队尾
func (r *Ring[T]) Push(e T) {
if r.Full() {
// 扩展空间
r.Grow(r.Cap() + 1)
}
in := r.in % r.size
r.in++
r.data[in] = e
}
grow()
扩容一般是扩展为当前容量的两倍，然后把原来数据copy()到新的数组，更新字段即可：
// 扩容
func (r *Ring[T]) Grow(minSize uint64) {
size := mmath.Max(r.size*2, minSize)
if size > MaxSize {
panic("size is too large")
}
if size < 2 {
size = 2
}
// 还没容量，直接申请，因为不需要迁移元素
if r.size == 0 {
r.data = make([]T, size)
r.size = size
return
}
data := make([]T, size)
out := r.out % r.size
len := r.Len()
copied := copy(data[:len], r.data[out:])
copy(data[copied:len], r.data)
r.out = 0
r.in = len
r.size = size
r.data = data
}
线程安全性
由于可能会动态扩容，需要修改out、in指针，因此需要加锁保证安全。
代码地址
https://github.com/jiaxwu/gommon/tree/main/container/ringbuffer
到此这篇关于详解Golang如何实现一个环形缓冲器的文章就介绍到这了,更多相关Golang环形缓冲器内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！