性能优化利器

• 简约而不简单的ringbuffer
• • ringbuffer数据结构
  • • 用法
    • 工作机制
    • 区分缓冲区满或者空
  • 出色的KFIFO
  • ringbuffer蕴藏的巨大能量
  • • 消息队列
    • 内存池
  • 总结

简约而不简单的ringbuffer

最近在研究srsLTE的代码,其中就发现一个有意思的数据结构——ringbuffer。
虽然，这是一个很基本的数据结构，但时，它在LTE这种通信协议栈系统中却大行其道，也是很容易被协议开发人员忽略的。在整个通信协议的开发团队中，一般会有一个平台中间件的团队，他们的任务是给业务部门提供高性能、高可靠性的中间件代码，如内存池、线程池、消息通信机制、日志系统等等。这篇文章就来讨论下这个简约而不简单的ringbuffer。

ringbuffer数据结构

环形缓冲器（ringr buffer），也称作圆形队列（circular queue），循环缓冲区（cyclic buffer），圆形缓冲区（circula 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。
在通信程序中，经常使用环形缓冲器作为数据结构来存放通信中发送和接收的数据。环形缓冲区是一个先进先出的循环缓冲区，可以向通信程序提供对缓冲区的互斥访问。

下例为一个满的缓冲区的读写指针:

内存池

内存池在通信协议栈和很多的软件中都是常用的技术，它的好处是除了可以避免内存碎片，更重要的一点是，内存是预先申请的，并且自我管理，在申请和释放的效率更快，这对协议栈的实现是十分重要的。

内存池的实现在方式都是大同小异的，通常将内存分为8字节、16字节、32字节… 1K等大小不同的内存块，并通过链表的方式进行管理。具体的实现方式可以自行到github上搜索，实现方式都是类似的。

那么，ringbuffer和内存池有什么关系呢际上，ringbuffer和内存池的实现并无直接的关系，但是内存池在实现上有个至关重要的问题，那就内存的申请和释放可能不是在同一个线程中。简单的说就是，内存的申请和释放可能存在竞争的情况，通常的做法是进行加锁进行保护。但是加锁的操作可能对协议的时序产生不确定的影响，这对时序要求较高的协议实现（如CMAC）是无法接受的。

ringbuffer的优秀的特性又一次被应用的淋漓尽致，做法也是相当的简单，就是使用ringbuffer单生产/单消费的模式的无锁特性，释放的线程可以将需要释放的地址使用ringbuffer发送给申请的线程，由申请的线程进行内存的释放，这就就不需要加锁的操作，因为同一个线程不会出现并发的链表操作。
下图是结合了消息队列和内存池技术的一次应用，该方案是十分经典和有效的，在很多大型的通信系统中都能看到这种方案的影子：

总结