环形缓冲RingBuffer和无锁

环形缓冲

环形缓冲区，也被称为循环缓冲区或者环形队列，是一种数据结构类型，它在内存中形成一个环形的存储空间。环形缓冲区的特点是其终点和起点是相连的，形成一个环状结构。这种数据结构在处理流数据和实现数据缓存等场景中具有广泛的应用。

环形缓冲区的主要作用是存储和管理数据。它可以存储一定数量的数据，并且在数据存储满后，新的数据会覆盖最早的数据，从而实现了一种“先进先出”（FIFO）的数据管理方式。这种数据结构的优点是可以高效地利用有限的缓存空间，避免内存碎片，并且可以在多线程环境中实现数据的同步处理。熟悉Linux内核的读者应该对KFIFO并不陌生，详细的内容可以参考此篇文章链接: KFIFO.

typedef struct
{
    uint8_t* buff; //缓冲区
    uint16_t size; //缓冲区大小  
    uint16_t* read_ptr; //读指针     
    uint16_t* write_ptr; //写指针 
} RingBuffer;

缓冲区是满、或是空，都有可能出现读指针与写指针指向同一位置，有多种策略用于检测缓冲区是满、或是空。常用的做法是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。

无锁

在多线程环境中，如果有多个写线程，那必然是要加锁的。但是，对于单生产单消费模式（即一个线程只读一个线程只写）则无需加锁。

对于单线程读单线程写一个变量，一般来说是要加锁的，以避免写变量的非原子性操作，导致读线程读出中间态的数据。

对于简单数据类型（int、bool等）的多线程读写安全性跟CPU架构相关。在x86上，对1字节byte/2字节word/4字节int类型的读写操作都是原子性的。即1个int不会有中间状态，若它原始值是0，往其写入0x12345678，则另一个线程绝对不会读到0x12000000或是0x00005678的值。在64位x86上，size_t(8字节)也是原子操作（多核，volatile）。

对于变量需要进行一些计算的情况，如a = a + 1，这个操作毫无疑问肯定不是原子操作。这个语句简单的转换为类似机器语言，第一步，把a读取到一个寄存器中，第二步将寄存器中的值加1，第三步将寄存器中的新值写入a中。线程B要写a，做了三步操作中任何一步结束，线程A去读a，a仍是一个有效值，只不过a并不一定是一个最新的值。如果线程A并不关心a是不是最新的值，只关心a是否是一个合法值就可以了，至于最新值可以通过循环去不断刷新。因为有了字节对齐，一个读周期或是一个写周期仅需要一个总线周期，在这个总线周期内就把这个整型变量给处理了, 一个总线周期结束前CPU不会被抢占，就是中断发生也不会导致一个总线周期执行一半时CPU被抢占(CPU是在现行指令结束后响应中断，即运行到最后一个指令周期中的最后一个总线周期中的最后一个T状态时CPU才采样INTR线来查看是否有中断请求)。