C语言构建环形缓冲区
2024-06-14 05:53:28
它逻辑上是一个首尾相连的FIFO结构，具体实现上采用简单的线性数组。通过额外的辅助标志（head、tail）能很快知道队列的使用情况（是满还是为空）。正因为其简单高效的原因，甚至在硬件都实现了环形队列。
环形队列广泛用于网络数据收发、程序间的大量数据交换（比如内核与应用程）、硬件接收大量数据。
1、环形缓冲区原理
- 环列队列逻辑上将数组元素array[0]与array[LEN-1]连接起来，形成一个存放队列的环形空间。实际操作中为了方便读写，采用head和tail分别指向可以读的位置和可以写的位置。
- 环形队列的关键是判断队列为空，还是为满。一般有两种方法：
- 一是附加一个标志位tag
- 当head赶上tail，队列空，则令tag=0
- 当tail赶上head，队列满，则令tag=1
- 二是在队尾结点与队首结点之间留有1个元素的空间
- 队列空： head==tail
- 队列满： (tail+1)% MAXN ==head
2、预留1个空位的环形队列
- 开始时head和tail指向同一个地址，但随着数据的push和poll，head和tail之间永远预留一个单元空间。如下图所示即为一个满队列。但箭头所指的位置不准确。tail应该指向空位，head指向9。即从头出去，从尾巴进来。
- 数据结构：
struct ring_queue{ unsigned int head; unsigned int tail; unsigned int size; //环形缓冲区容量int *array; //实际缓冲区（数组）的首地址
};
- 规则：
- head指向可读位置（地址存有数据），tail指向可写位置（地址无数据）。
- 初始化状态: head = tail = 0;
- 判定队列为空：head == tail
- 队列为满：**（ (tail+1) % SIZE ) == head **
- 入队操作：若队列不满，则写入。
- 出队操作：若队列不空，则读出。
- 缓冲区必须是连续的内存空间，可以通过静态数组变量或局部数组变量的方式定义，但绝不能从堆上分配（malloc），因为malloc分配的内存空间是不连续的！！！
- 头文件：
#ifndef __RINGQ_H__
#define __RINGQ_H__#ifdef __cplusplus
extern "C" {#endiftypedef struct { unsigned int head; unsigned int tail;unsigned int size;int *array;
}RINGQ; #define ringq_is_empty(q) (q->head == q->tail)
#define ringq_is_full(q) (((q->tail+1)%q->size) == q->head )int ringq_init(RINGQ * ringqp, int * array_ptr, unsigned size);
int ringq_free(RINGQ * ringqp);
int ringq_push(RINGQ * ringqp,int data);
int ringq_poll(RINGQ * ringqp,int * val);
void ringq_display(RINGQ * ringqp);#ifdef __cplusplus
}
#endif#endif
- c文件：
1 #include <stdio.h>2 #include <stdlib.h>3 #include "ringq.h"4 5 int ringq_init(RINGQ * ringqp, int * array_ptr, unsigned size)6 {7 /*8 不能从堆里分配空间！！！9 因为堆里的空间不是连续的，而是通过链表链接的一个空间串10 if(!(ringqp->array = (int *)malloc(size))){11 printf("Malloc failed!\n");12 return -1;13 }14 */15 ringqp->array = array_ptr;16 ringqp->size = size;17 ringqp->head = 0;18 ringqp->tail = 0;19 return 0;20 }21 22 int ringq_free(RINGQ * ringqp)23 {24 free(ringqp->array);25 return 0;26 }27 28 29 int ringq_push(RINGQ * ringqp,int data)30 {31 if(ringq_is_full(ringqp))32 {33 printf("ringq is full.\n");34 return -2;35 }36 ringqp->array[ringqp->tail] = data;37 ringqp->tail = (ringqp->tail + 1) % ringqp->size ;38 return 0;39 }40 41 42 int ringq_poll(RINGQ * ringqp,int * val)43 {44 if(ringq_is_empty(ringqp))45 {46 printf("ringq is empty.\n");47 return -3;48 }49 *val = ringqp->array[ringqp->head];50 ringqp->head = (ringqp->head + 1) % ringqp->size ;51 return 0;52 }53 54 void ringq_display(RINGQ * ringqp)55 {56 int i =0;57 unsigned head = ringqp->head;58 unsigned tail = ringqp->tail;59 unsigned size = ringqp->size;60 61 if(ringq_is_empty(ringqp))62 {63 printf("ringq is empty.\n");64 return;65 }66 while(head != tail){67 printf("%04d ",ringqp->array[head]);68 i++;69 if(i == 5){70 printf("\n");71 i = 0;72 }73 head = (head + 1)%(size);74 }75 printf("\n");76 return;77 }
- 测试文件：
1 #include <stdio.h>2 #include <stdlib.h>3 #include "ringq.h"4 5 #define RQ_SIZE 50 6 7 int main(void)8 {9 int data_in = 0;10 int data_out = 0;11 int select = 0;12 13 int array[RQ_SIZE]={};14 RINGQ rq, *rqp;15 rqp = &rq;16 17 ringq_init(rqp, array, RQ_SIZE);18 ringq_display(rqp);19 20 int index = RQ_SIZE - 1; //allways a bank between head and tail21 while (index > 0){22 ringq_push(rqp,1);23 index -= 1;24 }25 26 ringq_display(rqp);27 28 while (index < RQ_SIZE-1){29 ringq_poll(rqp,&data_out);30 index += 1;31 }32 33 ringq_display(rqp);34 35 while (index > 0){36 ringq_push(rqp,2);37 index -= 1;38 }39 40 ringq_display(rqp);41 42 return 0;43 }- 实验结果：
- 测试文件2
1 #include <stdio.h>2 #include <stdlib.h>3 #include "ringq.h"4 5 #define RQ_SIZE 5 6 7 int main(void)8 {9 int data_in = 0;10 int data_out = 0;11 int select = 0;12 13 int array[RQ_SIZE]={};14 RINGQ rq, *rqp;15 rqp = &rq;16 17 ringq_init(rqp, array, RQ_SIZE);18 ringq_display(rqp);19 42 43 loop: puts("push or poll or quit? [i/o/q]");44 select = getchar();45 getchar(); //丢弃回车46 switch(select){47 case 'i':48 printf("The push data is:");49 scanf("%d",&data_in);50 getchar(); //丢弃回车51 ringq_push(rqp, data_in);52 break;53 case 'o':54 ringq_poll(rqp, &data_out);55 printf("%d poll successfull.\n",data_out);56 break;57 case 'q':58 59 return 0;60 default:61 printf("Wrong choice!enter i or o!\n");62 }63 ringq_display(rqp);64 printf("\n");65 goto loop;66 }
- 实验结果：
- 有关getchar()和输入缓冲区的关系，请查看一文搞懂getchar()和putchar()的奇怪现象_Leon的博客-CSDN博客或者C语言 getchar()原理及易错点解析_Kevin.wang-CSDN博客_c语言getchar
3、附加满空标志位的环形队列
- 数据结构
typedef struct ringq{int head;int tail;int tag ;int size ;int space[RINGQ_MAX];}RINGQ;
- 规则
- 初始化状态: q->head = q->tail = q->tag = 0;
- 队列为空:(q->head == q->tail) && (q->tag == 0)
- 队列为满**: ((q->head == q->tail) && (q->tag == 1))**
- 入队操作:如队列不满，则写入q->tail = (q->tail + 1) % q->size ;
- 出队操作：如果队列不空，则从head处读出。下一个可读的位置在 q->head = (q->head + 1) % q->size
- 头文件
#ifndef __RINGQ_H__
#define __RINGQ_H__#ifdef __cplusplus
extern "C" {#endif#define QUEUE_MAX 20
typedef struct ringq{int head;int tail;int tag ;int size ;int space[QUEUE_MAX];
}RINGQ;extern int ringq_init(RINGQ * p_queue);
extern int ringq_free(RINGQ * p_queue);
extern int ringq_push(RINGQ * p_queue,int data);
extern int ringq_poll(RINGQ * p_queue,int *p_data);
#define ringq_is_empty(q) ( (q->head == q->tail) && (q->tag == 0))
#define ringq_is_full(q) ( (q->head == q->tail) && (q->tag == 1))
#define print_ringq(q) printf("ring head %d,tail %d,tag %d\n", q->head,q->tail,q->tag);
#ifdef __cplusplus
}
#endif#endif
- 实现代码
#include <stdio.h>
#include "ringq.h"int ringq_init(RINGQ * p_queue)
{p_queue->size = QUEUE_MAX ;p_queue->head = 0;p_queue->tail = 0;p_queue->tag = 0;return 0;
}int ringq_free(RINGQ * p_queue)
{return 0;
}
//Write data to the queue
int ringq_push(RINGQ * p_queue,int data)
{print_ringq(p_queue);if(ringq_is_full(p_queue)){printf("ringq is full\n");return -1;}p_queue->space[p_queue->tail] = data;p_queue->tail = (p_queue->tail + 1) % p_queue->size ;if(p_queue->tail == p_queue->head){p_queue->tag = 1;}return p_queue->tag ;
}
//Get data from the queue
int ringq_poll(RINGQ * p_queue,int * p_data)
{print_ringq(p_queue);if(ringq_is_empty(p_queue)){printf("ringq is empty\n");return -1;}*p_data = p_queue->space[p_queue->head];p_queue->head = (p_queue->head + 1) % p_queue->size ;if(p_queue->tail == p_queue->head){p_queue->tag = 0;}return p_queue->tag ;
}
- 测试代码
//请参考上节的test.c
参考资料：【转】环形队列理论（C语言） - 程序天空下的骆驼 - 博客园 (cnblogs.com)
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