音視頻環(huán)形緩沖區(qū) 介紹與實(shí)現(xiàn)

一、什么是環(huán)形緩沖區(qū)

環(huán)形緩沖區(qū)(也稱為循環(huán)緩沖區(qū))是固定大小的緩沖區(qū)，工作原理就像內(nèi)存是連續(xù)的且可循環(huán)的一樣。在生成和使用內(nèi)存時(shí)，不需將原來(lái)的數(shù)據(jù)全部重新清理掉，只要調(diào)整head/tail 指針即可。當(dāng)添加數(shù)據(jù)時(shí)，head 指針前進(jìn)。當(dāng)使用數(shù)據(jù)時(shí)，tail 指針向前移動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)緩沖區(qū)的尾部時(shí)，指針又回到緩沖區(qū)的起始位置。

二、為什么使用環(huán)形緩沖區(qū)

環(huán)形緩沖區(qū)是嵌入式系統(tǒng)中十分重要的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如在一個(gè)音視頻處理的機(jī)制中，環(huán)形緩沖區(qū)就可以理解為數(shù)據(jù)碼流的通道，每一個(gè)通道都對(duì)應(yīng)著一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)，這樣數(shù)據(jù)在讀取和寫入的時(shí)候都可以在這個(gè)緩沖區(qū)里循環(huán)進(jìn)行，程序員可以根據(jù)自己需要的數(shù)據(jù)大小來(lái)決定自己使用的緩沖區(qū)大小。

環(huán)形緩沖區(qū)通常用作固定大小的隊(duì)列。固定大小的隊(duì)列對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)非常友好，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員通常會(huì)嘗試使用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方法而不是動(dòng)態(tài)分配。

環(huán)形緩沖區(qū)對(duì)于數(shù)據(jù)寫入和讀出以不同速率發(fā)生的情況也是非常有用的結(jié)構(gòu)：最新數(shù)據(jù)始終可用。如果讀取數(shù)據(jù)的速度跟不上寫入數(shù)據(jù)的速度，舊的數(shù)據(jù)將被新寫入的數(shù)據(jù)覆蓋。通過(guò)使用循環(huán)緩沖區(qū)，能夠保證我們始終使用最新的數(shù)據(jù)。

三、代碼實(shí)現(xiàn)

1. 環(huán)形緩存區(qū)結(jié)構(gòu)體RING_BUFFER

typedef struct
{
    //緩存空間指針
    char*                           buffer;
    //緩存空間容量
    int                             size;
    //緩存讀序號(hào)，范圍：0 - (size -1)
    int                             rdIdx;
    //緩存寫序號(hào)，范圍：0 - (size -1)
    int                             wrIdx;
    //緩存滿標(biāo)志
    int                             isFull;
}RING_BUFFER;

2. 創(chuàng)建環(huán)形緩存區(qū)

void* ringBufferCreate(int size)
{
    RING_BUFFER*    rb;
    if(NULL == (rb = malloc(sizeof(RING_BUFFER) + size)))
    {
        printf("內(nèi)存不足!\n");
        return NULL;
    }
    memset(rb, 0, sizeof(RING_BUFFER));
    rb->buffer = (char*)rb + sizeof(RING_BUFFER);
    rb->size = size;
    return (void*)rb;
}

3. 獲取環(huán)形緩存區(qū)中有效數(shù)據(jù)大小

int ringBufferGetSize(RING_BUFFER* rb)
{
    if(rb->wrIdx == rb->rdIdx)
    {
        return 0;
    }
    if(rb->wrIdx > rb->rdIdx)
    {
        return (rb->wrIdx - rb->rdIdx);
    }
    return ((rb->size - rb->rdIdx) + rb->wrIdx);
}

4. 獲取環(huán)形緩存區(qū)中空閑空間字節(jié)大小

int ringBufferFreeLen(RING_BUFFER* rb)
{
    return ((rb->size - 1) - __ringBufferGetSize(rb));
}

5. 寫環(huán)形緩存區(qū)

int ringBufferWrite(void* handle, const char* ptr, int len)
{
    RING_BUFFER*    rb = (void*)handle;
    int          size;
    if(0 >= len)
    {
        printf("rb寫參數(shù)[%lu]非法!\n", len);
        return 0;
    }
    //獲取空閑空間大小
    size = ringBufferFreeLen(rb);
    if(size < len)
    {
        //空閑空間不足
        printf("rb寫溢出!<%d, %d>\n", len, size);
        return 0;
    }
    //計(jì)算"寫序號(hào)"后部還允許寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)
    size = rb->size - rb->wrIdx;
    if(size >= len)
    {
        //當(dāng)前待寫入全部數(shù)據(jù)可一次寫入后部
        memcpy(rb->buffer + rb->wrIdx, ptr, len);
        rb->wrIdx = (size > len) ? (rb->wrIdx + len) : 0;
        return len;
    }
    //先寫一部分?jǐn)?shù)據(jù)到后部
    memcpy(rb->buffer + rb->wrIdx, ptr, size);
    //再寫剩余數(shù)據(jù)到前部
    memcpy(rb->buffer, ptr + size, len - size);
    rb->wrIdx = len - size;
    return len;
}

6. 讀環(huán)形緩存區(qū)

int ringBufferRead(void* handle, char* ptr, int len)
{
    RING_BUFFER*    rb = (void*)handle;
    int         size;
    if(0 >= len)
    {
        printf("rb讀參數(shù)[%lu]非法!\n", len);
        return 0;
    }
    //獲取有效數(shù)據(jù)大小
    size = ringBufferGetSize(rb);
    if(0 == size)
    {
        return 0;//沒(méi)有數(shù)據(jù)
    }
    if(0 != rb->isFull)
    {
        //之前已標(biāo)記 緩存滿，全清 緩存內(nèi)容
        rb->rdIdx = rb->wrIdx;
        rb->isFull = 0;
        return 0;
    }
    if(size < len)
    {
        //有效數(shù)據(jù)不足，只能返回填充一部分
        len = size;
    }
    //計(jì)算"讀序號(hào)"后部可讀空間大小
    size = rb->size - rb->rdIdx;
    if(size >= len)
    {
        //當(dāng)前待讀出全部數(shù)據(jù)全存在于"讀序號(hào)"后部
        memcpy(ptr, rb->buffer + rb->rdIdx, len);
        rb->rdIdx = (size > len) ? (rb->rdIdx + len) : 0;
        return len;
    }
    //先從"讀序號(hào)"后部讀出一部分?jǐn)?shù)據(jù)
    memcpy(ptr, rb->buffer + rb->rdIdx, size);
    //再?gòu)那安孔x出剩余數(shù)據(jù)
    memcpy(ptr + size, rb->buffer, len - size);
    rb->rdIdx = len - size;
    return len;
}

7. 銷毀環(huán)形緩存區(qū)

int ringBufferDestroy(void* handle)
{
    RING_BUFFER*    rb = (void*)handle;
    ctFree(rb);
    return 0;
}

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