socket多线程和Ringbuffer详解

关注微信公众号：【快乐程序猿】查看更多篇章

相信很多读者都知道多线程是什么，那Ring Buffer可能就不太清楚了，那我们先来介绍下什么是Ring Buffer。

Ring Buffer，也称为循环缓冲区，是一种固定大小的缓冲区，用于在生产者和消费者之间传递数据。它是一种数据结构，常用于需要缓冲数据流的场合，如音频处理、数据通信等。

1. 结构

• 缓冲区大小: Ring Buffer有一个固定的容量，即可以容纳的数据项数量。通常，该容量为2的幂，这样方便用位运算来做索引。

• 缓冲区指针: 它有两个主要的指针：

  • 写指针（write pointer）: 指向下一个要写入数据的位置。

  • 读指针（read pointer）: 指向下一个要读取数据的位置。

2. 工作原理

Ring Buffer 的核心概念是“循环”，即当写指针或读指针达到缓冲区的末尾时，它们会自动返回到缓冲区的起始位置。这种行为使得缓冲区可以不断地重复使用空间。

• 写入操作: 将数据写入写指针指向的位置，然后移动写指针。如果写指针在写入后达到了缓冲区末尾，它将跳转回起始位置。为了避免覆盖未读取的数据，一般在写入数据前需要检查缓冲区是否已满。

• 读取操作: 从读指针指向的位置读取数据，然后移动读指针。同样，如果读指针在读取后达到了缓冲区末尾，它将跳转回起始位置。

3. 满与空的判断

• 缓冲区为空: 当读指针和写指针指向同一个位置时，且没有写入任何新数据，这时缓冲区为空。

• 缓冲区为满: 当写指针的位置即将覆盖读指针的位置时，缓冲区为满。这通常是通过在缓冲区中保留一个空槽来判断的。

4. 优势

• 效率高: Ring Buffer 不需要动态分配内存，因为它的大小是固定的。

• 简单: 实现简单，只需要两个指针和一些边界检查。

5. 使用场景

• 音频和视频流处理

• 网络通信缓冲

• 日志系统中的缓冲

下面我们用一个示例来讲解音频场景下多线程如何写入和读取Ring Buffer，首先我们写一段获取音频数据的代码。

int audiorecordmic(void *arg)
{

    int i, err, size;
    char *buffer;
    snd_pcm_t *capture_handle;
    snd_pcm_hw_params_t *hw_params;

    /*PCM的采样格式*/
    snd_pcm_format_t format = SND_PCM_FORMAT_S16_LE; // 采样位数：16bit、LE格式

    if ((err = snd_pcm_open(&capture_handle, "capture_mic", SND_PCM_STREAM_CAPTURE, 0)) < 0)
    {
        exit(1);
    }

    if ((err = snd_pcm_hw_params_malloc(&hw_params)) < 0)
    {
        exit(1);
    }

    if ((err = snd_pcm_hw_params_any(capture_handle, hw_params)) < 0)
    {
        exit(1);
    }

    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access(capture_handle, hw_params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0)
    {
        exit(1);
    }

    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format(capture_handle, hw_params, format)) < 0)
    {
        exit(1);
    }

    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near(capture_handle, hw_params, &rate, 0)) < 0)
    {
        exit(1);
    }

    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels(capture_handle, hw_params, 1)) < 0)
    {
        exit(1);
    }

    if ((err = snd_pcm_hw_params(capture_handle, hw_params)) < 0)
    {
        exit(1);
    }

    snd_pcm_hw_params_free(hw_params);

    if ((err = snd_pcm_prepare(capture_handle)) < 0)
    {
        exit(1);
    }

    /*配置一个数据缓冲区用来缓冲数据*/
    size = getdatasize();
    buffer = malloc(size);
    /*开始采集音频pcm数据*/
    while (1)
    {
        // pthread_mutex_lock(&datamic.mutex);
        /*从声卡设备读取一帧音频数据*/
        if ((err = snd_pcm_readi(capture_handle, buffer, BUFFER_FRAME)) != BUFFER_FRAME)
        {
            printf("从音频接口读取失败! function = %s  LINE = %d bufferlen = %d\n", __FUNCTION__, __LINE__, err);
            exit(1);
        }
        printf("function = %s  LINE = %d err = %d\n", __FUNCTION__, __LINE__, err);
        write_micring_buffer(&datamic, buffer, size);
        /*写数据到文件*/
        // fwrite(datamic.buffer,(BUFFER_FRAME*2),sizeof(short),pcm_data_file_mic);
        // sendto(g_socket, micbuffer, err * 2 * 2, 0, (struct sockaddr *)&client_address, client_len);
    }
    free(buffer);
    snd_pcm_close(capture_handle);
    return 0;
}

在上面代码中其实我们只需要关注snd_pcm_readi和write_micring_buffer这两个方法，snd_pcm_readi就是从驱动获取音频数据的接口函数，这里参数中包含了三个参数

• capture_handle：PCM 设备句柄，它是通过 snd_pcm_open 打开设备时获得的，我们代码中也有，获得后下面也通过多个接口函数设置了一些参数，比如采样率、通道数、位深等等。

• buffer：指向用于存储读取到的数据的缓冲区。数据是按照交错格式存储的，即多个通道的数据交替存储。

• BUFFER_FRAME：想要读取的帧数。每帧包含所有通道的一个采样数据，这里我们定义的是2048。

write_micring_buffer这个方法就是我们将音频数据写入ringbuf的方法了，我们来重点理解下

void write_micring_buffer(shared_data_t *rb, const char *data, int length)
{
    pthread_mutex_lock(&rb->mutex);
    for (int i = 0; i < length; ++i)
    {
        rb->buffer[rb->head] = data[i];
        rb->head = (rb->head + 1) % rb->size;
        if (rb->head == rb->tail)
        {
            rb->tail = (rb->tail + 1) % rb->size; // Overwrite
        }
    }
    pthread_cond_signal(&rb->cond);
    pthread_mutex_unlock(&rb->mutex);
}

这里的锁是为了防止存取顺序出现问题，就是说在没有数据存入的时候不让他进行读取，如果代码逻辑写的比较完善的话，我个人理解按照ringbuffer的特性来说是不需要加锁的。这里后期我会尝试优化。

下面是一个for循环，判断条件就是我们传进来的length，这里的length对于音频数据buffer来说就是他的长度，我们在上个代码中可以看到使用malloc给buffer分配了一个size长度的空间，这个size就是计算公式就是（帧数*位深/8*通道数）得来的。

循环内第一步就是将data数据写入到ringbuffer中，然后ringbuffer的头指针加1，也就是向前移动一个字节。然后判断头指针和尾指针的位置是否相同，如果相同的话就尾指针向前移动一位，因为如果头指针尾指针相同就说明，头指针移动一个周期追赶上了尾指针。

下面我们看看另一个读取线程怎么写

int audiosendbuffer(void *arg)
{
    snd_pcm_format_t format = SND_PCM_FORMAT_S16_LE;

    char *micbuffer;
    int buffersize = getdatasize();
    micbuffer = malloc(buffersize);

    while (1)
    {
        read_micring_buffer(&datamic, micbuffer, buffersize);
        fwrite(micbuffer, (BUFFER_FRAME), sizeof(short), pcm_data_file_mic);
    }

    return 0;
}

可以看到读取线程很简单只调用了read_micring_buffer这个函数，然后将获取到的数据写入到pcm文件中，以便后面进行验证。

int read_micring_buffer(shared_data_t *rb, char *data, int length)
{
    pthread_mutex_lock(&rb->mutex);
    while (rb->head == rb->tail)
    {
        pthread_cond_wait(&rb->cond, &rb->mutex);
    }
    int count = 0;
    while (rb->tail != rb->head && count < length)
    {
        data[count++] = rb->buffer[rb->tail];
        rb->tail = (rb->tail + 1) % rb->size;
    }
    pthread_mutex_unlock(&rb->mutex);
    return count;
}

这里锁的作用与写入的方法一致，我们主要看下面的逻辑代码。

首先判断头指针和尾指针位置是否相同，如果相同，就等待条件锁被唤醒，因为读的时候相同代表着没有数据写入，所以需要等待。

然后定义了一个count用来记录读到的数据长度，之后判断 头指针尾指针不相同并且count小于数据长度的时候，将ringbuffer的数据取出，注意这里用了rb->tail，从尾指针的位置开始取，依次写入到data中，然后将尾指针位置向前移动一位。

可以看到原理其实很简单就是从头指针的位置往ringbuffer写入数据，指针后移，读的时候从尾指针开始读，指针后移，依次循环操作。这样就实现了多线程操作ringbuffer的功能。

当然如果读者有更好的思路和方法可以跟我一起探讨