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詳解Golang如何實現一個環形緩沖器_Golang

作者：jiaxwu ? 更新時間： 2022-10-30 編程語言

背景

環形緩沖器（ringr buffer）是一種用于表示一個固定尺寸、頭尾相連的緩沖區的數據結構，適合緩存數據流。

在使用上，它就是一個固定長度的FIFO隊列：

在邏輯上，我們可以把它當成是一個環，上面有兩個指針代表當前寫索引和讀索引：

在實現上，我們一般是使用一個數組去實現這個環，當索引到達數組尾部的時候，則重新設置為頭部：

kfifo實現

kfifo是Linux內核的隊列實現，它具有以下特性：

  • 固定長度：長度是固定的，而且是向上取最小的2的平方，主要是為了實現快速取余。
  • 無鎖：在單生產者和單消費者的情況下，是不需要加鎖的。主要是因為索引in和out是不回退的，一直往前。
  • 快速取余：我們都直到到達隊列末尾的時候，索引需要回退到開頭。最簡單的實現方式就是對索引取余，比如索引in現在是8，隊列長度是8，in%len(q)即可回退到開頭，但是取余操作%還是比較耗時的，因此kfifo使用in&mask實現快速取余，其中mask=len(q)-1。

無鎖

上面我們說到，這個無鎖是有條件的，也就是必須在單生產者單消費者情況下。這種情況下，同一時刻最多只可能會有一個寫操作和一個讀操作。但是在某一個讀操作（或寫操作）的期間，可能會有多個寫操作（或讀操作）發生。

因為索引in和out是不回退的，因此in一直會在out前面（或者重合）。而且in只被寫操作修改，out只被讀操作修改，因此不會沖突。

這里可能有人會擔心索引溢出的問題，比如in到達math.MaxUint64，再+1則回到0。但是其實并不影響in和out之間的距離：

package main

import (
	"fmt"
	"math"
)

func main() {
	var in uint = math.MaxUint64
	var out uint = math.MaxUint64 - 1
	fmt.Println(in - out) // 1
	in++
	fmt.Println(in - out) // 2
	out++
	fmt.Println(in - out) // 1
}

當然如果連續兩次溢出，就會出現問題。但是由于數組長度是int類型，因此也沒辦法超過math.MaxUint64，也就是in和out之間的距離最多也就是2^62，因為math.MaxInt64是2^63-1，沒辦法向上取2的平方了。因此也不會出現溢出兩倍math.MaxUint64的情況，早在溢出之前就隊列滿了。

快速取余

前面提到取余是通過in&mask實現的，這有一個前提條件，也就是長度必須是2的次方，因此在創建數組的時候，長度會向上取最小的2的平方。例如一個長度為8的kfifo，在二進制表示下：

len  = 0000 1000 // 十進制8，隊列長度
mask = 0000 0111 // 十進制7，掩碼

in   = 0000 0000 // 十進制0，寫索引
in & mask => 0000 0000 // 十進制0，使用 & mask
in % len  => 0000 0000 // 十進制0，使用 % len

in         = 0000 0001 // 十進制1，寫索引
in & mask => 0000 0001 // 十進制1，使用 & mask
in % len  => 0000 0001 // 十進制1，使用 % len

in         = 0000 0001 // 十進制1，寫索引
in & mask => 0000 0001 // 十進制1，使用 & mask
in % len  => 0000 0001 // 十進制1，使用 % len

in         = 0000 1000 // 十進制8，寫索引
in & mask => 0000 0000 // 十進制0，使用 & mask
in % len  => 0000 0000 // 十進制0，使用 % len

in         = 0001 0001 // 十進制17，寫索引
in & mask => 0000 0001 // 十進制1，使用 & mask
in % len  => 0000 0001 // 十進制1，使用 % len

可以看到，使用& mask的效果是和% len一樣的。

然后我們做一個簡單的性能測試：

package main

import "testing"

var (
	Len  = 8
	Mask = Len - 1
	In   = 8 - 5
)

// % len
func BenchmarkModLen(b *testing.B) {
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		_ = In % Len
	}
}

// & Mask
func BenchmarkAndMask(b *testing.B) {
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		_ = In & Mask
	}
}

測試結果：

BenchmarkModLen-8 ? ? ? 1000000000 ? ? ? ? ? ? ? 0.3434 ns/op
BenchmarkAndMask-8 ? ? ?1000000000 ? ? ? ? ? ? ? 0.2520 ns/op

可以看到& mask性能確實比% len好很多，這也就是為什么要用& Mask來實現取余的原因了。

數據結構

數據結構和上面介紹的一樣，in、out標識當前讀寫的位置；mask是size-1，用于取索引，比%size更加高效；

type Ring[T any] struct {
	in   uint64 // 寫索引
	out  uint64 // 讀索引
	mask uint64 // 掩碼，用于取索引，代替%size
	size uint64 // 長度
	data []T    // 數據
}

Push()

Push()操作很簡單，首先r.in & r.mask得到寫索引，讓寫索引前進一格，然后存入數據。

// 插入元素到隊尾
func (r *Ring[T]) Push(e T) {
	if r.Full() {
		panic("ring full")
	}
	in := r.in & r.mask
	r.in++
	r.data[in] = e
}

Pop()

Pop()操作同理，根據r.out & r.mask得到讀索引，讓讀索引前進一格，然后讀取數據。

// 彈出隊頭元素
func (r *Ring[T]) Pop() T {
	if r.Empty() {
		panic("ring emtpy")
	}
	out := r.out & r.mask
	r.out++
	return r.data[out]
}

性能測試

Round實現是使用& mask，同時長度會向上取2的平方；Fix實現是使用% size保持參數的長度。

測試代碼是不斷的Push()然后Pop()：

func BenchmarkRoundPushPop(b *testing.B) {
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		r := New[int](RoundFixSize)
		for j := 0; j < RoundFixSize; j++ {
			r.Push(j)
		}
		for j := 0; j < RoundFixSize; j++ {
			r.Pop()
		}
	}
}

測試結果：& mask的性能明顯好于% size。

BenchmarkRoundPushPop-8 ? ? ? ? ? ? 2544 ? ? ? ? ? ?405621 ns/op // & mask
BenchmarkFixPushPop-8 ? ? ? ? ? ? ? ?678 ? ? ? ? ? 1740489 ns/op // % size

無界環形緩沖器

我們可以在寫數據的時候判斷是否空間已滿，如果已滿我們可以進行動態擴容，從而實現一個無界環形緩沖器。

Push()

在Push()時檢查到空間滿時，調用grow()擴展空間即可：

// 插入元素到隊尾
func (r *Ring[T]) Push(e T) {
	if r.Full() {
                // 擴展空間
		r.Grow(r.Cap() + 1)
	}
	in := r.in % r.size
	r.in++
	r.data[in] = e
}

grow()

擴容一般是擴展為當前容量的兩倍，然后把原來數據copy()到新的數組，更新字段即可：

// 擴容
func (r *Ring[T]) Grow(minSize uint64) {
	size := mmath.Max(r.size*2, minSize)
	if size > MaxSize {
		panic("size is too large")
	}
	if size < 2 {
		size = 2
	}
	// 還沒容量，直接申請，因為不需要遷移元素
	if r.size == 0 {
		r.data = make([]T, size)
		r.size = size
		return
	}
	data := make([]T, size)
	out := r.out % r.size
	len := r.Len()
	copied := copy(data[:len], r.data[out:])
	copy(data[copied:len], r.data)
	r.out = 0
	r.in = len
	r.size = size
	r.data = data
}

線程安全性

由于可能會動態擴容，需要修改out、in指針，因此需要加鎖保證安全。

代碼地址

https://github.com/jiaxwu/gommon/tree/main/container/ringbuffer

原文鏈接：https://juejin.cn/post/7138675261649715236

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