Linux环形缓冲区原理及应用解析 (linux 环形缓冲区)
一、引言
在计算机中，缓冲区是一块内存区域，用于临时缓存输入或输出数据。Linux的内核中常用环形缓冲区，被广泛应用于网络设备驱动、音视频设备驱动等模块中。本文将对Linux环形缓冲区的原理及应用进行解析，旨在为读者提供更深入的了解。
二、环形缓冲区的定义及特点
环形缓冲区指的是一块具有大小限制的循环缓冲区。其特点是数据写满后，将覆盖写入最早的数据，保证了缓冲区数据的实时更新。在网络设备驱动和音视频设备驱动模块中，环形缓冲区的应用是很普遍的。由于其高效性和占用空间少的优点，被广泛使用。
三、环形缓冲区的实现原理
1.环形缓冲区的结构
环形缓冲区由以下结构体组成：
“`
struct ring_buffer {
int head; //写入位置
int tl; //读取位置
int size; //缓冲区尺寸
int empty; //缓冲区是否为空
char buffer[]; //缓冲区首地址
};
“`
其中，head表示写入位置，tl表示读取位置。size表示缓冲区大小，empty用于判断缓冲区是否为空。最后是一个char类型的数组，即存放缓冲区数据的空间。该数组是通过变长数组来定义的，空间大小由参数传入。
2.缓冲区的初始化
在实现缓冲区时，首先需要进行初始化。初始化过程如下：
“`
int ring_buffer_init(struct ring_buffer *ring, int size)
{
//设置缓冲区各个成员的初始值
void *buffer = malloc(size);
if(!buffer) {
return -1;
}
memset(ring, 0, sizeof(struct ring_buffer));
ring->buffer = buffer;
ring->size = size;
ring->empty = 1;
return 0;
}
“`
上述代码中，首先通过malloc函数分配内存空间，如果分配失败则直接返回错误。之后使用memset函数将ring_buffer结构体中除buffer以外的成员全部初始化为0，再将缓冲区的大小、空状态以及buffer成员的值进行初始化。
3.缓冲区的读写操作
对于环形缓冲区的读写操作，需要考虑以下两个场景：
（1）写入数据时，如果缓冲区已满，则覆盖最早写入的数据。
（2）读取数据时，如果缓冲区为空，则等待有数据写入。
缓冲区的写入操作代码如下：
“`
static int ring_buffer_write(struct ring_buffer *ring, const char *data, int len)
{
int size = ring->size;
int count = 0;
while(len) {
//计算可以写入数据的空间
int avl = ring->head – ring->tl;
if(avl
avl = size + avl;
}
//如果缓冲区已满，则覆盖最早的数据
if(avl == size – 1) {
ring->tl = (ring->tl + 1) % size;
count++;
continue;
}
//计算可写入数据长度
int empty = size – avl – 1;
int n = len
//写入数据到缓冲区
memcpy(ring->buffer + ring->head, data, n);
ring->head = (ring->head + n) % size;
len -= n;
data += n;
ring->empty = 0;
count++;
}
return count;
}
“`
缓冲区的读取操作代码如下：
“`
static int ring_buffer_read(struct ring_buffer *ring, char *data, int len)
{
int size = ring->size;
int count = 0;
while(len) {
//计算可以读取的数据长度
int avl = ring->head – ring->tl;
if(avl
avl = size + avl;
}
//如果缓冲区为空，则等待有数据写入
if(avl == 0 && ring->empty) {
continue;
}
//计算可读取数据的长度
int n = len
//将数据从缓冲区中读取到buffer
memcpy(data, ring->buffer + ring->tl, n);
ring->tl = (ring->tl + n) % size;
len -= n;
data += n;
//如果缓冲区为空，则设置状态
if(avl == n) {
ring->empty = 1;
}
count++;
}
return count;
}
“`
四、应用场景
1. 网络设备驱动
在Linux设备驱动中，网络设备驱动是一类适合使用环形缓冲区的模块。网络设备驱动需要进行数据交换，而且通常在数据到达时并不知道需要的长度，这时候使用环形缓冲区能够很好地解决这个问题。在Linux内核中，TCP/IP协议栈中的rx_ring和tx_ring都是基于环形缓冲区实现的。
2. 音视频设备驱动
音视频设备驱动同样需要使用缓冲区对数据进行存储和交换。在这种情况下，使用环形缓冲区能够比较好地解决速度不一致的问题。例如，当音频设备的输入速度比输出速度慢时，使用环形缓冲区能够保证数据不会因为缓冲区大小的限制而丢失。
五、
本文对Linux环形缓冲区的定义、实现原理及应用场景进行了详细介绍。环形缓冲区作为一种高效、占用空间少的数据结构，在网络设备驱动、音视频设备驱动等模块中被广泛应用。对于使用操作系统的程序员来说，掌握环形缓冲区的原理及其应用场景是十分重要的。
相关问题拓展阅读：
Linux中的缓冲区和缓存内存有什么区别
在Linux系统下，我们一般不需要去释放内存，因为系统已经将内存管理的很好。但是凡事也有例拿枝烂外，有的时候内存会被缓存占用掉，导致系统使用SWAP空间影响性能，此时就需要执行释放内存（清理缓存）的操作了。
Linux系统的缓存机制是相当先进的，他会针对dentry（用于VFS，加速文件路径名到inode的转换）、Buffer Cache（针对磁盘块的读写）和Page Cache（针对文件inode的读写）进行缓存操作。但是在进行了大量文件操作之后，缓消漏存会把内存资源基本用光。但实际上我们文件操作已经完成，这部分缓存已经用不到了。这个时候，我们难道只能眼睁睁的看着缓存把内存空间占据掉么？
所以，我们还是有必要来手动进行Linux下释放内存的操作，其实也就是释放缓存的操作了。
要达到释放缓存的目搭档的，我们首先需要了解下关键的配置文件/proc/sys/vm/drop_caches。这个文件中记录了缓存释放的参数，默认值为0，也就是不释放缓存。他的值可以为0~3之间的任意数字，代表着不同的含义：
0 – 不释放
1 – 释放页缓存
2 – 释放dentries和inodes
3 – 释放所有缓存
知道了参数后，我们就可以根据我们的需要，使用下面的指令来进行操作。
首先我们需要使用sync指令，将所有未写的系统缓冲区写到磁盘中，包含已修改的 i-node、已延迟的块 I/O 和读写映射文件。否则在释放缓存的过程中，可能会丢失未保存的文件。
#sync
接下来，我们需要将需要的参数写进/proc/sys/vm/drop_caches文件中，比如我们需要释放所有缓存，就输入下面的命令：
#echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
此指令输入后会立即生效，可以查询现在的可用内存明显的变多了。
要查询当前缓存释放的参数，可以输入下面的指令：
#cat /proc/sys/vm/drop_caches
#free -m
对于清除swap，只有先关闭swap了，用：
#swapoff -a
而后启用swap，因为只是清除，不是说不要用swap的嘛 ：
#swapon -a
Linux 自动释放内存脚本
发表于119 天前 ? 技术文章 ? 暂无评论
脚本下载
脚本内容：
#! /bin/bash
# cache释放：
# To free pagecache:
sync
sync
#echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches
# To free dentries and inodes:
#echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches
# To free pagecache, dentries and inodes:
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
# 说明，释放前更好sync一下，防止丢数据。
利用系统crontab实现每天自动运行：
crontab -e
输入以下内容：
00 00 * * * /root/Cached.sh
每天0点释放一次内存，这个时间可以根据自己需要自行设置，我的服务器情况是每天自动释放一次就OK了
在设置这个脚本的时候，发生了一系列的问题
在测试运行./Cached.sh时提示错误：Permission denied 权限的问题
解决方法：
chmod +x .Cached.sh
或
chmod 777 Cached.sh
接着又出现错误提示：/bin/bash^M: bad interpreter: No such file or directory
这是因为在windows下编辑的.sh文件编码格式和linux下不一样，转换一下编码格式即可：
dos2unix Cached.sh
缓冲镇瞎区与特定的块设备相肆锋关联，包括文件系统元数据的缓存以及页面跟踪。缓存只御雹空包含已停放的文件数据。
也就是说，缓冲区记住目录中的内容、文件权限是什么，并跟踪从某个块设备中写入或读取到哪些内存。
缓存只包含文件本身的内容。
ArcGis中缓冲区是干什么用的
ArcGis中缓冲区是干什么用的
缓冲区的作用
1、制图可以用于美化地图
2、处理数据可以用来缓冲区多少米外的数据
缓冲剂是干什么用的？
化学工程中的缓冲剂常称为酸碱稳定剂,一般是盐类,如强酸弱碱或弱酸强碱盐类,在反应或保存中逐渐释出盐中的酸或碱以保持稳定的酸碱值.
缓冲液是干什么用？
在生化研究工作中，常常需要使用缓冲溶液来维持实验体系的酸碱度。研究工作的溶液体系pH值的变化往往直接影响到研究工作的成效。 缓冲溶液的配制 只要知道缓冲对的PK值，和要配制的缓冲液的pH值（及要求的缓冲液总浓度），就能按公式计算和的量。这个算法涉及对数换算，较麻烦，前人为减少后人的计算麻烦，已为我们总结出pH值与缓冲液对离子用量的关系列出了表格。只要我们知道要配制的缓冲液的pH，经查表便可计算处所用缓冲剂的比例和用量。例如配制500nmpH5.8浓度为0.1M磷酸缓冲液。 经查表知pH5.8浓度为0.2M Na2HPO48.0毫升，而0.2M Na2HPO492.0毫升。依此可推论出配制100ml0.1M的磷酸缓冲液需要0.1M Na2HPO48.0毫升，而0.1M Na2HPO4需要92.0毫升。 计算好后，按计算结果准确称好固态化学成分，放于烧杯中，加少量蒸馏水溶解，转移入50ml容量瓶，加蒸馏水至刻度，摇匀，就能得到所需的缓冲液。 各种缓冲溶液的配制，均按表格按比例混合，某些试剂，必须标定配成准确浓度才能进行，如醋酸、氢氧化钠等。另外，所有缓冲溶剂的配制念穗计量都能从以上的算式准确获得。
缓冲区是干什么的什么叫给缓冲区写数据？
不知道你说的缓冲区是不是关键链中的缓冲区？如果是，那就是用来保护关键链的
linux内核的环形缓冲区是干什么
就像人类的心脏是供血的一样. Linux的内核就是Linux的心脏,是操作系统必不可少的一部分.也相当于电脑硬件的CPU.
OEM分区是干什么用的
oem分区一般只有品牌机特别是联想才竖数有的，就是检测硬盘和系统用的，一般就几百兆大小的分区，平时也没啥用处，不用管它，就是重装系统时有时候会默认往这里面装，但因为空间不足导致装系统失败，这点了解下就可以
Photoshop中的选区是干什么用的
选区就是选择一块区域，因为一张图片中，你要对某个地方进行操作，电脑并不知道，我们有眼睛可以看到，但电脑不能感知，怎么办那，我们就用选区工具把要操作的地方进行选取，产生流动的蚂蚁线，电脑就知道了。这就是选区。那么由于图片的复杂性，做选区的方法也有很多种，比如，套索工具，直线套索，磁性套索，还有魔术棒，等这些都是做选区的。只有做完选区才能对其实施操仔纤卜作。
Recovery的分区是干什么用的
用来在系统有问题的时候恢复备份用的，
一般这个分区是厂商划分出来
放系统备份 存储的是还原使用的文件！
不建议删除 如果系统崩溃，
用此分区还原到出厂时候的那个系统。
ph缓冲剂四硼酸钠是干什么用的
硼砂缓冲溶液（0.01M，25℃时候pH=9.18）—溶解3.81g十水四硼酸钠于水中，然后稀释到1L。防止大气中二氧化碳；除了使用的时候将瓶子一直塞紧。
环形缓冲区大小和反写阈值
100MB，阈值百分之80。写入的铅戚kv对达到了百分之八十则槐高陵发生溢写，溢写的时候要先对键值对按照分区号念宏进行分区，相同分区按照KEY的字典序排序。
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