使用 Ring Buffer 完成数据传递

概述

在前述章节中，我们依次介绍了 Queue、StreamBuffer、MessageBuffer。上述三者尽管提供了一定的数据缓存能力，但没有提供管理数据溢出的能力。

数据溢出是指在数据缓存区容量一定的情况下，缓存区的空间已经被完全使用，但是仍旧有数据传入时的情况。

在前述的组件中，它们对数据溢出的处理是禁止新数据写入到缓存区，在数据不允许丢失的情况下，这通常没什么问题。但是一些情况下，这种处理方式通常是不可接收的，假设向屏幕上投放影片，在屏幕的缓存区已经用尽的情况下，禁止写入新数据，将导致整体的画面进入延时，此时，允许覆盖一部分“特别”旧的数据，同时保留一部分“较旧”的内容通常是可取的，这样可以实现画面比较流畅，而不至于停顿。

ring buffer 主要的特性其实可以用一句话概括：写满时，自动环绕。其区别于普通缓存区的特性是，一般缓存区写满时，就不允许写了，会返回写失败；ring buffer 在写满时，不会返回失败，会覆盖原先首部的数据，继续写。

ringbuf 基本的 API 包括创建、发送数据、接收数据、注销数据（只有注销即 return 后的数据其才允许被覆盖，即该缓冲区可以被再次写入新数据）：

RingbufHandle_txRingbufferCreate(size_t xBufferSize, RingbufferType_txBufferType)BaseType_t xRingbufferSend(RingbufHandle_txRingbuffer, const void *pvItem, size_t xItemSize, TickType_t xTicksToWait)void *xRingbufferReceive(RingbufHandle_txRingbuffer, size_t *pxItemSize, TickType_t xTicksToWait)void vRingbufferReturnItem(RingbufHandle_txRingbuffer, void *pvItem)

值的注意的是，与 Queue、StreamBuffer、MessageBuffer 不同，ringbuf 在读取数据时，得到的数据的引用，即实际的存储在 ringbuf 的数据的指针，而不是拷贝的副本。

再次理解“ring"

很多初学者对 ringbuf 的理解总是想从 “ring”，即环绕的角度取理解，这往往使得对它的理解陷入一个奇怪的 ring。其是，没有一种真正的存储空间天生就是“环”（大部分存储器是线性的地址空间），所谓的“环”只是人为地添加的特性。可以这么说，ringbuf 就是一块缓冲区，在特性上通过读、写索引，实现读、写操作在到达缓冲区末尾时，可以通过配置指定，接下来的读写是否“重头开始”。

ring buf 的特点：

1）自动管理溢出时的处理。自动管理队头、队尾。

2）弹性的容量，即buffer 中的数据不会被销毁，直到下次被覆盖写入。

3）比链表要快，因为它内部使用数组（连续的内存），再次使用时，不必释放空间、移动其他数据也不必管理链表，只是重新赋值。

ring buf 的分类

在熟悉上面的概念后，可以理解 ESP-IDF 对 rIngbuf 的三种分类：

1）No-Split buffers：（禁止拆分型buffer)保证项目存储在连续内存中，并且在任何情况下（如环绕、内存空间不连续的情况）都不会尝试拆分项目。

2）Allow split buffers：即允许拆分缓冲区数据项存放在两个不连续的内存块中，如果这样做能够允许存储该条目。“允许拆分缓冲区”比“不拆分缓冲区”更节省内存，但在检索时需分两部分返回完整的原条目。

3）Byte buffer：不将数据存储为单独的项。所有数据都以字节序列的形式存储，并且每次发送或检索任意数量的字节。当不需要维护单独的项目（例如字节流）时，使用字节缓冲区。

写入 ring buf 数据时发生什么

如图显示为依次将大小为 18、3 和 27 字节的三个条目写入缓存区时，缓冲区内实际发生的情况：

对于“不拆分”和“允许拆分”缓冲区，每个数据项前面都有一个 8 个字节的标头， Byte buffer 没有标头。此外，每个项目占用的空间向上舍入到最接近的 32 位对齐大小，以保持整体 32 位对齐。但是，项目的真实大小记录在标头中，该标头将在检索项目时返回。

当数据满时，不可以拆分的 ringbuf 将强制回到缓冲区的头部开始存储新的条目。下图显示缓冲区大小为 128 字节，其中 56 个字节被标识为 free 可用空间，当要发送的项目为 28 字节时，由于是不可拆分的 ringbuf，即便尾部有 16 bytes 发空闲空间，也不会去存储该 28bytes 的条目，如第二行所示，会在尾部填充占位符，然后如第三行所示，从缓冲区头部开始存储该长度为 28bytes 的条目：

需求及功能解析

ringbuffer 的内容颇多，这里仅介绍一种 no-split 类型的 ring buffer 使用的方法，并通过打印信息，反映ringbuffer 这种“自动环绕的”特性。

示例解析

示例中，ring buffer 的大小为 0xA0，下述 log，第 8 次发完数据后，读写位置都在 0x90 处，再往下写的话，重新从缓存区的头部开始写了，因此第9次的数据在 0x18 处，注意这里是十六进制，0x90 到 0x18 正好分为两段，0x90_0xA0，0x000x18，其中 0x90～0xA0 共计16 个字节的存储单元；0x00～0x18 共计 24 个字节的存储单元；因为前者不足以存储 8+16 的 large_item 这个 item，因此直接从 0x00 开始存储了，而不是从 0x90。

This is esp32 chip with 2 CPU core(s), WiFi/BT/BLE, Minimum free heap size: 295348 bytes
ring buffer Max item size is 40, num of items is 5
TASK2:flag=0
TASK2:free_pos=0x00000010, read_pos=0x00000010, write_pos=0x00000010, acquire_pos=0x00000010, num_of_items_pos=0x00000000
TASK2:flag=1
TASK2:free_pos=0x00000020, read_pos=0x00000020, write_pos=0x00000020, acquire_pos=0x00000020, num_of_items_pos=0x00000000
TASK2:flag=2
TASK2:free_pos=0x00000030, read_pos=0x00000030, write_pos=0x00000030, acquire_pos=0x00000030, num_of_items_pos=0x00000000
TASK2:flag=3
TASK2:free_pos=0x00000040, read_pos=0x00000040, write_pos=0x00000040, acquire_pos=0x00000040, num_of_items_pos=0x00000000
TASK2:flag=4
TASK2:free_pos=0x00000050, read_pos=0x00000050, write_pos=0x00000050, acquire_pos=0x00000050, num_of_items_pos=0x00000000
TASK2:flag=5
TASK2:free_pos=0x00000018, read_pos=0x00000018, write_pos=0x00000018, acquire_pos=0x00000018, num_of_items_pos=0x00000000
TASK2:flag=6
TASK2:free_pos=0x00000030, read_pos=0x00000030, write_pos=0x00000030, acquire_pos=0x00000030, num_of_items_pos=0x00000000
TASK2:flag=7
TASK2:free_pos=0x00000048, read_pos=0x00000048, write_pos=0x00000048, acquire_pos=0x00000048, num_of_items_pos=0x00000000

讨论

适合使用 ring buf 的几种场景

1）在预先知道缓存区需要存放数据的最大量时，可以用ringbuf，对需要频繁扩大缓冲区容量的可以使用链表。

2）允许覆盖旧数据的情况下，可以考虑使用 ringbuf。特别时多媒体处理时，比如，音频的生产者可以覆盖掉声卡暂为来得及处理的旧音频的数据。

3）数据并发处理。可以只读取数据，不 return 数据（删除数据），这样可以在多个线程中获取数据，然后分别执行对应的运算。

总结

1）Ring Buffer 提供了管理数据溢出的机制，当 Ring Buffer 的缓存区足够大时，数据写到缓冲区尾部后将自动从头部开始继续写。当 Ring Buffer 的缓冲区不够大时，即便存在数据溢出风险，但应用本身允许新数据覆盖旧数据的情况下使用 Ring Buffer 也非常合适。

2）ESP-IDF 对 rIngbuf 的三种分类：No-Split buffers、Allow split buffers、Byte buffer。

3）可以配置 rIngbuf 的缓冲区工作在连续内存中，由于 ringbuf 检索数据时是直接引用缓冲区的数据，连续的内存空间可以帮助提升访问效率。

资源链接

1）Learning-FreeRTOS-with-esp32 系列博客介绍
2）对应示例的 code 链接（点击直达代码仓库）

3）下一篇：使用队列集进行传递数据或信号同步