详解Golang如何实现一个环形缓冲器

2024-04-02 19:04:59 183人浏览薄情痞子

摘要

目录背景kfifo实现无锁快速取余数据结构Push()Pop()性能测试无界环形缓冲器Push()grow()线程安全性代码地址背景环形缓冲器（ringr buffer）是一种用于

背景

环形缓冲器（ringr 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。

在使用上，它就是一个固定长度的FIFO队列：

在逻辑上，我们可以把它当成是一个环，上面有两个指针代表当前写索引和读索引：

在实现上，我们一般是使用一个数组去实现这个环，当索引到达数组尾部的时候，则重新设置为头部：

kfifo实现

kfifo是linux内核的队列实现，它具有以下特性：

固定长度：长度是固定的，而且是向上取最小的2的平方，主要是为了实现快速取余。
无锁：在单生产者和单消费者的情况下，是不需要加锁的。主要是因为索引in和out是不回退的，一直往前。
快速取余：我们都直到到达队列末尾的时候，索引需要回退到开头。最简单的实现方式就是对索引取余，比如索引in现在是8，队列长度是8，in%len(q)即可回退到开头，但是取余操作%还是比较耗时的，因此kfifo使用in&mask实现快速取余，其中mask=len(q)-1。

无锁

上面我们说到，这个无锁是有条件的，也就是必须在单生产者单消费者情况下。这种情况下，同一时刻最多只可能会有一个写操作和一个读操作。但是在某一个读操作（或写操作）的期间，可能会有多个写操作（或读操作）发生。

因为索引in和out是不回退的，因此in一直会在out前面（或者重合）。而且in只被写操作修改，out只被读操作修改，因此不会冲突。

这里可能有人会担心索引溢出的问题，比如in到达math.MaxUint64，再+1则回到0。但是其实并不影响in和out之间的距离：

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
}

当然如果连续两次溢出，就会出现问题。但是由于数组长度是int类型，因此也没办法超过math.MaxUint64，也就是in和out之间的距离最多也就是2^62，因为math.MaxInt64是2^63-1，没办法向上取2的平方了。因此也不会出现溢出两倍math.MaxUint64的情况，早在溢出之前就队列满了。

快速取余

前面提到取余是通过in&mask实现的，这有一个前提条件，也就是长度必须是2的次方，因此在创建数组的时候，长度会向上取最小的2的平方。例如一个长度为8的kfifo，在二进制表示下：

len  = 0000 1000 // 十进制8，队列长度
mask = 0000 0111 // 十进制7，掩码

in   = 0000 0000 // 十进制0，写索引
in & mask => 0000 0000 // 十进制0，使用 & mask
in % len  => 0000 0000 // 十进制0，使用 % len

in         = 0000 0001 // 十进制1，写索引
in & mask => 0000 0001 // 十进制1，使用 & mask
in % len  => 0000 0001 // 十进制1，使用 % len

in         = 0000 0001 // 十进制1，写索引
in & mask => 0000 0001 // 十进制1，使用 & mask
in % len  => 0000 0001 // 十进制1，使用 % len

in         = 0000 1000 // 十进制8，写索引
in & mask => 0000 0000 // 十进制0，使用 & mask
in % len  => 0000 0000 // 十进制0，使用 % len

in         = 0001 0001 // 十进制17，写索引
in & mask => 0000 0001 // 十进制1，使用 & mask
in % len  => 0000 0001 // 十进制1，使用 % len

可以看到，使用& mask的效果是和% len一样的。

然后我们做一个简单的性能测试：

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
	}
}

测试结果：

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

可以看到& mask性能确实比% len好很多，这也就是为什么要用& Mask来实现取余的原因了。

数据结构

数据结构和上面介绍的一样，in、out标识当前读写的位置；mask是size-1，用于取索引，比%size更加高效；

type Ring[T any] struct {
	in   uint64 // 写索引
	out  uint64 // 读索引
	mask uint64 // 掩码，用于取索引，代替%size
	size uint64 // 长度
	data []T    // 数据
}

Push()

Push()操作很简单，首先r.in & r.mask得到写索引，让写索引前进一格，然后存入数据。

// 插入元素到队尾
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，根据r.out & r.mask得到读索引，让读索引前进一格，然后读取数据。

// 弹出队头元素
func (r *Ring[T]) Pop() T {
	if r.Empty() {
		panic("ring emtpy")
	}
	out := r.out & r.mask
	r.out++
	return r.data[out]
}

性能测试

Round实现是使用& mask，同时长度会向上取2的平方；Fix实现是使用% size保持参数的长度。

测试代码是不断的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()
		}
	}
}

测试结果：& mask的性能明显好于% size。

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

无界环形缓冲器

我们可以在写数据的时候判断是否空间已满，如果已满我们可以进行动态扩容，从而实现一个无界环形缓冲器。

Push()

在Push()时检查到空间满时，调用grow()扩展空间即可：

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

grow()

扩容一般是扩展为当前容量的两倍，然后把原来数据copy()到新的数组，更新字段即可：

// 扩容
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
	}
	// 还没容量，直接申请，因为不需要迁移元素
	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
}