背景:
循环存储大量数据,实现新的数据自动覆盖老的数据,最简单方法。
实现代码:
定义类型:
包括一个用来指向存储数据的数组指针buffer,记录头部的位置head,记录尾部的位置tail,开辟缓存的容量capacity,以及数据满的标志位full。
typedef struct{
int *buffer;
size_t head;
size_t tail;
size_t capacity;
bool full;
}CircularBuffer;
创建:
一个环形缓存区,初始化结构体的相关参数,开辟相应capacity的buffer。
CircularBuffer * create(size_t capacity)
{
CircularBuffer *cb = (CircularBuffer *)malloc(sizeof(CircularBuffer));
if(!cb)
return NULL;
cb->buffer = (int *)malloc(capacity *sizeof(int));
if(!cb->buffer){
free(cb);
return NULL;
}
cb->head = 0;
cb->tail = 0;
cb->capacity = capacity;
cb->full = false;
return cb;
}
释放:
释放环形缓冲区的内存。
void destroy(CircularBuffer *cb)
{
if(cb){
free(cb->buffer);
free(cb);
}
}
读取:
从缓冲区读取元素,若为空则返回错误值。
int get(CircularBuffer *cb)
{
if(isEmpty(cb))
return -1;
int item = cb->buffer[cb->head];
cb->full = false;
cb->head = (cb->head + 1) % cb->capacity;
return item;
}
判空满:
检测缓冲区是否为空或已满。
bool isEmpty(CircularBuffer *cb)
{
return (!cb->full && cb->tail == cb->head);
}
bool isFull(CircularBuffer *cb)
{
return cb->full;
}
获取容量和大小:
获取缓冲区的容量和当前大小。
size_t capacity(CircularBuffer *cb)
{
return cb->capacity;
}
size_t size(CircularBuffer *cb)
{
if(cb->full)
return cb->capacity;
if(cb->tail >= cb->head)
return cb->tail - cb->head;
return cb->capacity + cb->tail - cb->head;
}
写入:
向缓冲区添加新元素。如果缓冲区已满,覆盖最早的数据。
void put(CircularBuffer *cb, int item)
{
cb->buffer[cb->tail] = item;
if(cb->full){
cb->head = (cb->head + 1) % cb->capacity;
}
cb->tail = (cb->tail + 1) % cb->capcity;
cb->full = cb->tail == cb->head;
}
使用解释:
int main() { CircularBuffer *buf = create(5); put(buf,1); put(buf,2); put(buf,3); while (!sEmpty(buf)) { int item = get(buf); printf("%d\n", item); } destroy(buf); return 0; }
理解环形缓冲区的关键在于理解 tail
指针的更新方式。cb->tail = (cb->tail + 1) % cb->capacity;
这一行代码的作用是将 tail
指针移动到下一个写入位置,并确保 tail
指针在缓冲区范围内循环。
tail
指针的作用
tail
指针:指向缓冲区中下一个要写入的位置。head
指针:指向缓冲区中下一个要读取的位置。
为什么需要 (cb->tail + 1) % cb->capacity
cb->tail + 1
:将tail
指针向前移动一位。% cb->capacity
:使用模运算确保tail
指针在缓冲区范围内循环。
为什么需要模运算
- 模运算:确保
tail
指针在缓冲区范围内循环。 - 当
tail
指针达到缓冲区的末尾时,tail = (tail + 1) % capacity
会将tail
指针重置为0
,从而实现循环写入。
示例:
假设缓冲区的容量为 capacity = 5
,初始状态为空(head = 0, tail = 0, full = false
),依次插入元素 1, 2, 3, 4, 5
:
-
插入
1
:- 写入位置:
buffer[0] = 1
- 更新
tail
:tail = (0 + 1) % 5 = 1
- 状态:
head = 0, tail = 1, full = false
- 写入位置:
-
插入
2
:- 写入位置:
buffer[1] = 2
- 更新
tail
:tail = (1 + 1) % 5 = 2
- 状态:
head = 0, tail = 2, full = false
- 写入位置:
-
插入
3
:- 写入位置:
buffer[2] = 3
- 更新
tail
:tail = (2 + 1) % 5 = 3
- 状态:
head = 0, tail = 3, full = false
- 写入位置:
-
插入
4
:- 写入位置:
buffer[3] = 4
- 更新
tail
:tail = (3 + 1) % 5 = 4
- 状态:
head = 0, tail = 4, full = false
- 写入位置:
-
插入
5
:- 写入位置:
buffer[4] = 5
- 更新
tail
:tail = (4 + 1) % 5 = 0
- 状态:
head = 0, tail = 0, full = true
(缓冲区已满)
- 写入位置:
这时缓冲区已满(head = 0, tail = 0, full = true
),再插入一个元素 6
:
- 写入位置:
buffer[0] = 6
(覆盖最早的元素1
) - 更新
tail
:tail = (0 + 1) % 5 = 1
- 更新
head
:head = (0 + 1) % 5 = 1
(因为缓冲区已满,需要移动head
指针) - 状态:
head = 1, tail = 1, full = true
最后:
通过这种方式,环形缓冲区可以有效地循环利用固定大小的数组空间,避免数据溢出。
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