二维数组8:设计题 RingBuffer的原理和实现
RingBuffer是笔者在微博遇到的一个面试题。
RingBuffer的特征不需要记住,面试官会告诉你的,并且告诉你一些要求,然后根据这些要求来设计就行了。
RingBuffer这种结构的使用场景比较广泛,比如在Linux内核中网络数据包的缓存,系统日志的存储等多处使用过该结构。同时它也被广泛的应用于异步通信以及嵌入式设备中,提供高效的数据缓存读写操作。
一.环形缓冲器介绍
当有大量数据的时候,我们不能存储所有的数据,那么计算机处理数据的时候,只能先处理先来的,那么处理完后呢,就会把数据释放掉,再处理下一个。那么,已经处理的数据的内存就会被浪费掉。因为后来的数据只能往后排队,如果要将剩余的数据都往前移动一次,那么效率就会变得低下,肯定不现实,所以,环形队列就出现了。
圆形缓冲区(circular buffer),也称作圆形队列(circular queue),循环缓冲区(cyclic buffer),环形缓冲区(ring 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。
环形缓冲区通常有一个读指针和一个写指针。读指针指向环形缓冲区中可读的数据,写指针指向环形缓冲区中可写的缓冲区。通过移动读指针和写指针就可以实现缓冲区的数据读取和写入。在通常情况下,环形缓冲区的读用户仅仅会影响读指针,而写用户仅仅会影响写指针。如果仅仅有一个读用户和一个写用户,那么不需要添加互斥保护机制就可以保证数据的正确性。如果有多个读写用户访问环形缓冲区,那么必须添加互斥保护机制来确保多个用户互斥访问环形缓冲区。
图1、图2和图3是一个环形缓冲区的运行示意图。图1是环形缓冲区的初始状态,可以看到读指针和写指针都指向第一个缓冲区处;图2是向环形缓冲区中添加了一个数据后的情况,可以看到写指针已经移动到数据块2的位置,而读指针没有移动;图3是环形缓冲区进行了读取和添加后的状态,可以看到环形缓冲区中已经添加了两个数据,已经读取了一个数据。
上面这些内容,面试官一般会告诉你,然后就会问你该怎么设计。
你会觉得循环链表不就行了吗?但是面试官会告诉你必须用定长数组,那该怎么做呢?
二.满和空的解决方法
了解背景之后,你是否发现这里的关键问题是空间满和空的时候,整个数据结构看上去是一样的?那该怎么区分呢?
如果你能马上发现这一点,面试官会非常满意,因为你找到问题的关键了,但是该怎么解决呢?有多种策略可以用。
(1)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。
(2)使用数据计数
这种策略不使用显式的写指针,而是保持着缓冲区内存储的数据的计数。因此测试缓冲区是空是满非常简单;对性能影响可以忽略。缺点是读写操作都需要修改这个存储数据计数,对于多线程访问缓冲区需要并发控制。
(3)镜像逻辑地址法
在国产的物联网操作系统RT-thread 中使用了一种非常特殊的方式来表示队满还是空。 大意是缓冲区的长度如果是n,逻辑地址空间则为0至n-1;那么,规定n至2n-1为镜像逻辑地址空间。本策略规定读写指针的地址空间为0至2n-1,其中低半部分对应于常规的逻辑地址空间,高半部分对应于镜像逻辑地址空间。
这种方式目前看上去比较好的介绍是这个文章,但是我仍然不知道具体是怎么工作的:
https://blog.csdn.net/lu_embedded/article/details/107308740
如果你知道,请告诉我。
三.java的实现
我们使用4个数字标记“队列的长度,元素的个数,读指针,写指针”
如果队列已满,不能写入元素
如果队列为空,不能拿出元素
package datastructure.list.ringbuffer;
import java.util.Arrays;
public class RingBuffer {
/**
* ringBuffer的总长度,最大能够存储的成员数
*/
private int length;
/**
* ringBuffer内部存储的现有的成员数
*/
private int size;
/**
* 写指针,代表下一次操作执行的位置
*/
private int writePos;
/**
* 读指针,代表下一次操作执行的位置
*/
private int readPos;
/**
* 放置成员的循环数组,长度为length
*/
private Object[] list;
/**ringBuffer的构造函数<br>
* 初始化各种参数和object数组
* @param length ringBuffer的总长度,最大能够存储的成员数
*/
public RingBuffer(int length){
this.length=length;
list=new Object[length];
size=0;
writePos=0;
readPos=0;
}
/**显示ringBuffer已满,是否还能插入新的元素
* @return 如果数组已满,不能插入,返回true<br>如果能插入,返回false
*/
public boolean isFull(){
if(size==length){
return true;
}
return false;
}
/**显示ringBuffer是否为空,是否还能取出元素
* @return 如果数组为空,不能取出元素,返回true <br> 如果能取出,返回false
*/
public boolean isEmpty(){
if(size==0){
return true;
}
return false;
}
/**在ringBuffer中插入一个元素,在写指针处插入元素
* @param object 被插入的元素
* @return 如果成功插入,返回true<br> 如果队列已满,返回false
*/
public boolean put(Object object){
if(isFull()){
//如果队列已满
return false;
}
if(writePos==length-1){
//如果这次写入的位置在队列的最后一个元素
list[writePos]=object;
//那么下次写入的位置为0
writePos=0;
}
else{
//这次写入的位置不是队列最后一个元素,那么现在writePos处写入,然后++
list[writePos++]=object;
}
//ringBuffer中的成员数增加
//size的处理在最后操作,防止size增加了,读操作却没有读到
size++;
return true;
}
/**从ringBuffer中取出一个元素
* @return 如果队列为空,返回null <br> 否则,返回读指针对应的元素
*/
public Object take(){
if(isEmpty()){
return null;
}
Object result;
if(readPos==length-1){
//如果这次取出的位置在队列的最后一个元素
result=list[readPos];
//将对于位置的元素清空
list[readPos]=null;
readPos=0;
}
else{
result=list[readPos];
list[readPos++]=null;
}
size--;
return result;
}
public void printRingBuffer(){
System.out.println("开始打印环形缓冲区");
System.out.println("length=" + length + ", size=" + size + ", writePos=" + writePos + ", readPos=" + readPos);
for(int i=0;i<length;i++){
System.out.println("区域位置坐标:"+i+" :"+list[i]);
}
System.out.println("打印环形缓冲区结束");
System.out.println();
}
}
最后再写个测试类吧:
public class Main {
public static void main(String[] args) {
RingBuffer ringBuffer=new RingBuffer(5);
ringBuffer.put("0");
ringBuffer.put("1");
ringBuffer.put("2");
ringBuffer.put("3");
ringBuffer.put("4");
ringBuffer.put("5");
ringBuffer.take();
ringBuffer.take();
ringBuffer.put("5");
ringBuffer.printRingBuffer();
ringBuffer.take();
ringBuffer.take();
ringBuffer.take();
ringBuffer.take();
ringBuffer.take();
ringBuffer.printRingBuffer();
ringBuffer.put("5");
ringBuffer.printRingBuffer();
}
}
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