1. 前言
请思考以下几个问题:
1).为什么需要设计网络缓冲区,内核中不是有读写缓冲区吗?
需要设计的网络缓冲区和内核中tcp缓冲区的关系如下图所示,通过socket进行进行绑定。具体来说网络缓冲区包括读(接收)缓冲区和写(发送)缓冲区。设计读缓冲区的目的是:当从tcp中读数据时,不能确定读到的是一个完整的数据包,如果是不完整的数据包,需要先放入缓冲区中进行缓存,直到数据包完整才进行业务处理。设计写缓冲区的目的是:向tcp写数据不能保证所有数据写成功,如果tcp写缓冲区已满,则会丢弃数据包,所以需要一个写缓冲区暂时存储需要写的数据。
2).缓冲区应该设置为堆内存还是栈内存?
假设有一个服务端程序,需要同时连接多个客户端,每一个socket就是一个连接对象,所以不同的socket都需要自己对应的读写缓冲区。如果将缓冲区设置为栈内存,很容易爆掉,故将将其设置为堆内存更加合理。此外,缓冲区容量上限一般是有限制的,一开始不需要分配过大,仅仅在缓冲区不足时进行扩展。
3).读写缓冲区的基本要求是什么?
通过以上分析,不难得出读写缓冲区虽然是两个独立的缓冲区,但是其核心功能相同,可以复用其代码。
读写缓冲区至少提供两类接口:存储数据和读取数据
读写缓冲区要求:先进先出,保证存储的数据是有序的
4).如何界定数据包?
第一种使用特殊字符界定数据包:例如\n
,\r\n
,第二种通过长度界定数据包,数据包中首先存储的是整个数据包的长度,再根据长度进行读取。
5).几种常见的缓冲区设计
①ringbuffer+读写指针
ringbuffer是一段连续的内存,当末端已经写入数据后,会从头部继续写数据,所以感觉上像一个环,实际是一个循环数组。ringbuffer的缺点也很明显:不能够扩展、对于首尾部分的数据需要增加一次io调用。
②可扩展的读写缓冲区+读写指针
下图设计了一种可扩展的读写缓冲区,在创建时会分配一块固定大小的内存,整个结构分为预留空间数据空间。预留空间用于存储必要的信息,真正存储数据的空间由连续内存组成。此种缓冲区设计相对于ringbuffer能够扩展,但是也有一定的缺点:由于需要最大化利用空间,会将数据移动至开头,移动操作会降低读写速度。
本文实现可扩展的读写缓冲区+读写指针
2. 数据结构
①buffer类的设计与初始化
buffer类的数据结构如下所示,m_s
是指向缓冲区的指针,m_max_size
是缓冲区的长度,初始设置为10,并根据扩展因子m_expand_par
进行倍增。扩展因子m_expand_par
设置为2,表示每次扩增长度翻倍,也就是说缓冲区的长度随扩展依次为10、20、40、80。
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class buffer{ public : buffer(); //构造 ~buffer(); int init(); //分配缓冲区 private : char * m_s; //缓冲区指针 size_t m_read_index; //读指针位置 size_t m_write_index; //写指针位置 size_t m_max_size; //缓冲区长度 size_t m_expand_par; //扩展因子 }; |
构造函数的初始化列表中初始化成员变量。实际初始化缓冲区在init函数中分配内存,大小为m_max_size
。不在构造函数中初始化缓冲区的原因是:如果构造函数中分配失败,无法处理,也可使用raii手段进行处理
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buffer::buffer() :m_read_index(0),m_write_index(0),m_max_size(10), m_expand_par(2),m_s(nullptr) {} buffer::~buffer() { delete [] m_s; } int buffer::init() { m_s = new char [m_max_size](); if (m_s == nullptr) { cout << "分配m_s失败\n" ; return -1; } return 0; } |
②读写指针的位置变化
当缓冲区为空时,读写指针位置相同都为0。
在写入长度为6的数据后,读写指针位置如图
接着读取两个字节后,读写指针如图
③扩展缓冲区实现
扩展缓冲区实际分为两步,将有效数据前移至缓冲区头(最大化利用数据),再进行扩展。根据成员变量扩展因子m_expand_par
的值,将缓冲区按倍数扩大。
假设当前存储数据4个字节,读写指针如下图。需要新增9个字节
将数据前移至缓冲区头
扩展缓冲区为2倍
写入9个字节
实际需要实现的两个私有成员函数:调整数据位置至缓冲区头adjust_buffer()
和扩展expand_buffer()
,设置为私有属性则是因为不希望用户调用,仅仅在写入缓冲区前判断不够就进行扩展,用户不应该知道与主动调用。
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class buffer { public : ... private : void adjust_buffer(); //调整数据位置至缓冲区头部头 void expand_buffer( size_t need_size); //扩展缓冲区长度 ... } |
adjust_buffer()
实现如下,注释写的较为清楚,不再赘述
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void buffer::adjust_buffer() { if (m_read_index == 0) //数据已经在头部,直接返回 return ; int used_size = m_write_index - m_read_index; if (used_size == 0) { //缓冲区为空,重置读写指针 m_write_index = 0; m_read_index = 0; } else { cout << "调整前read_index write_index" << m_read_index << " " << m_write_index << endl; memcpy (m_s, &m_s[m_read_index], used_size); //将数据拷贝至头部 m_write_index -= m_read_index; //写指针也前移 cout << "调整了" << used_size << "个字节" << endl; m_read_index = 0; //读指针置0 } cout << "调整后read_index write_index" << m_read_index << " " << m_write_index << endl; } |
扩展缓冲区实现如下:
- 首先根据需要写入的字节数判断缓冲区长度多大才能够容下
- 申请新的存储区,并将数据拷贝到新存储区
- 释放旧缓冲区,将新存储区作为缓冲区
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void buffer::expand_buffer( size_t need_size) //need_size需要写入的字节数 { size_t used_size = m_write_index - m_read_index; //used_size表示已经存储的字节数 size_t remain_size = m_max_size - used_size; //remain_size表示剩余空间 size_t expand_size = m_max_size; while (remain_size < need_size) { //剩余空间不够时扩展,用while表示直到扩展至够用 expand_size *= m_expand_par; remain_size = expand_size - used_size; //cout << "扩展长度中... 总剩余 总长度 " << remain_size << " " << expand_size << endl; } char * s1 = new char [expand_size](); //申请新的空间 memcpy (s1, m_s, m_max_size); free (m_s); m_s = s1; //将新空间挂载到缓冲区 m_max_size = expand_size; //更新缓冲区总长度 //cout << "扩展结束,总长度为" << m_max_size << endl; } |
3. 外部接口设计与实现
以读缓冲区为例需要提供的接口有:向缓冲区写入数据write_to_buffer()
,向缓冲区读取数据read_from_buffer()
,得到能够读取的最大字节数readable_bytes()
。
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class buffer { public : void write_to_buffer( char * src); //从src中写数据 size_t readable_bytes(); //存储数据的字节数 size_t read_from_buffer( char *dst, int bytes); //读数据 size_t pop_bytes( size_t bytes); //丢弃数据 } |
① 写入缓冲区write_to_buffer()
write_to_buffer()
实现的思路如流程图所示:
判断剩余空间:
剩余空间不够:调整数据至头部、扩展缓冲区
剩余空间足够:向下继续
判断当前空间:
当前空间不够:调整数据至头部
剩余空间足够:向下继续
存储数据
根据流程图实现起来逻辑非常清晰,src表示原始数据
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void buffer::write_to_buffer( char * src) { size_t used_size = m_write_index - m_read_index; //used_size表示已经存储的字节数 size_t remain_size = m_max_size - used_size; //remain_size表示剩余空间 size_t cur_size = m_max_size - m_write_index; //cur_size表示当前能够存储的空间 size_t size = init_random_write(&src); //printf("已经使用%d,剩余总长度%d,剩余当前长度%d\n", used_size, remain_size, cur_size); if (size > remain_size) { //剩余空间不够 adjust_buffer(); expand_buffer(size); } else if (size > cur_size) { //剩余空间够,当前存不下 adjust_buffer(); } memcpy (&m_s[m_write_index], src, size); //存储数据 m_write_index += size; delete [] src; //更新并打印log //used_size = m_write_index - m_read_index; //remain_size = m_max_size - used_size; //cur_size = m_max_size - m_write_index; //printf("已经使用%d,剩余总长度%d,剩余当前长度%d\n", used_size, remain_size, cur_size); } |
流程图中还出现随机一段数据,这是用来调试的。随机初始化一段长度为0~ 40,字符a~ z的数据,并写缓存区
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static int get_random_len() { return rand () % 40; } static int get_random_ala() { return rand () % 26; } size_t buffer::init_random_write( char ** src) { int size = get_random_len(); char ala = get_random_ala(); *src = new char [size]; cout << "准备写入的长度为" << size << " 值全是 " << (unsigned char )( 'a' + ala) << endl; for ( int i = 0; i < size; i++) { (*src)[i] = 'a' + ala; } return size; } |
② 读取缓冲区read_from_buffer()
read_from_buffer(char*dst,int read_size)
传入需要拷贝到目的地址和需要读取的字节数,需要注意的是需要读取的字节数为-1
表示全部读取,函数返回实际读取的字节数。实现如流程图所示:
代码如下
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size_t buffer::read_from_buffer( char *dst, int read_size) { size_t read_max = m_write_index - m_read_index; //read_max存储的字节数 if (read_size == 0 || read_max == 0) //读取0字节和空缓存区时直接返回 return 0; if (read_size == -1) { //全读走 memcpy (dst, &m_s[m_read_index], read_max); m_read_index += read_max; cout << "读取了" << read_max << "个字节" << endl; } else if (read_size > 0) { //读取指定字节 if (( size_t )read_size > read_max) read_size = read_max; memcpy (dst, &m_s[m_read_index], read_size); m_read_index += read_size; cout << "读取了" << read_size << "个字节" << endl; } return read_size; //返回读取的字节数 } |
③ 丢弃数据pop_bytes
size_t pop_bytes(size_t size)
传入需要丢弃的字节数,需要注意的是需要丢弃的字节数为-1
表示全部丢弃;-2表示随机丢弃0~ 40字节,函数返回实际丢弃的字节数。实现如流程图所示:
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size_t buffer::pop_bytes( size_t size) { size_t read_max = m_write_index - m_read_index; //存储数据长度 //test random if (size == -2) size = get_random_len(); if (size == 0 || read_max == 0) //缓冲区为空或丢弃0字节返回 return 0; if (size == -1) { //全丢 m_read_index += read_max; cout << "丢弃了" << read_max << "个字节" << endl; return read_max; } if (size > 0) { //丢弃指定字节 if (size > read_max) size = read_max; m_read_index += size; cout << "丢弃了" << size << "个字节" << endl; } return size; } |
④ 其他接口
peek_read()
和peek_write()
返回读写指针的位置
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size_t peek_read(); //指向准备读的位置(调试用) size_t peek_write(); //指向准备写的位置(调试用) size_t buffer::peek_write() { return m_write_index; } size_t buffer::peek_read() { return m_read_index; } |
4. 完整代码与测试
① 完整代码
buffer.h
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#pragma once class buffer { public : buffer(); //构造 ~buffer(); //析构 int init(); //分配缓冲区 void write_to_buffer( char * src); //写数据 size_t pop_bytes( size_t bytes); //丢弃数据 size_t read_from_buffer( char *dst, int bytes); //读数据 size_t readable_bytes(); //得到存储数据的字节数 size_t peek_read(); //指向准备读的位置(调试用) size_t peek_write(); //指向准备写的位置(调试用) private : void adjust_buffer(); //调整数据位置至缓冲区头 void expand_buffer( size_t need_size); //扩展缓冲区长度 size_t init_random_write( char ** src); //随机初始化一段数据(调试用) private : char * m_s; //缓冲区指针 size_t m_read_index; //读指针位置 size_t m_write_index; //写指针位置 size_t m_max_size; //缓冲区长度 size_t m_expand_par; //扩展因子 }; |
buffer.cpp
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#include "buffer.h" #include<iostream> #include<time.h> using namespace std; int total_write = 0; //记录总写入 int total_read = 0; //记录总读取 static int get_random_len() { return rand () % 40; } static int get_random_ala() { return rand () % 26; } buffer::buffer() :m_read_index(0),m_write_index(0),m_max_size(10), m_expand_par(2),m_s(nullptr) {} buffer::~buffer() { delete [] m_s; } int buffer::init() { m_s = new char [m_max_size](); if (m_s == nullptr) { cout << "分配m_s失败\n" ; return -1; } return 0; } size_t buffer::read_from_buffer( char *dst, int read_size) { size_t read_max = m_write_index - m_read_index; //read_max存储的字节数 if (read_size == 0 || read_max == 0) //读取0字节和空缓存区时直接返回 return 0; if (read_size == -1) { //全读走 memcpy (dst, &m_s[m_read_index], read_max); m_read_index += read_max; printf ( "读取完成:\t读取%d个字节\n" , read_max); total_read += read_max; } else if (read_size > 0) { //读取指定字节 if (( size_t )read_size > read_max) read_size = read_max; memcpy (dst, &m_s[m_read_index], read_size); m_read_index += read_size; printf ( "读取完成:\t读取%d个字节\n" , read_size); total_read += read_size; } return read_size; //返回读取的字节数 } size_t buffer::readable_bytes() { return m_write_index - m_read_index; } size_t buffer::peek_write() { return m_write_index; } size_t buffer::peek_read() { return m_read_index; } void buffer::write_to_buffer( char * src) { size_t used_size = m_write_index - m_read_index; //used_size表示已经存储的字节数 size_t remain_size = m_max_size - used_size; //remain_size表示剩余空间 size_t cur_size = m_max_size - m_write_index; //cur_size表示当前能够存储的空间 size_t size = init_random_write(&src); //printf("已经使用%d,剩余总长度%d,剩余当前长度%d\n", used_size, remain_size, cur_size); if (size > remain_size) { //剩余空间不够 adjust_buffer(); expand_buffer(size); } else if (size > cur_size) { //剩余空间够,当前存不下 adjust_buffer(); } memcpy (&m_s[m_write_index], src, size); //存储数据 m_write_index += size; delete [] src; //更新并打印log used_size = m_write_index - m_read_index; remain_size = m_max_size - used_size; cur_size = m_max_size - m_write_index; printf ( "写入完成:\t总存储%d,剩余空间%d,剩余当前空间%d\n" , used_size, remain_size, cur_size); } size_t buffer::pop_bytes( size_t size) { size_t read_max = m_write_index - m_read_index; //存储数据长度 //test random if (size == -2) size = get_random_len(); if (size == 0 || read_max == 0) //缓冲区为空或丢弃0字节返回 return 0; if (size == -1) { //全丢 m_read_index += read_max; cout << "丢弃了" << read_max << "个字节" << endl; total_read += read_max; return read_max; } if (size > 0) { //丢弃指定字节 if (size > read_max) size = read_max; m_read_index += size; cout << "丢弃了" << size << "个字节" << endl; total_read += size; } return size; } size_t buffer::init_random_write( char ** src) { int size = get_random_len(); total_write += size; *src = new char [size]; char ala = get_random_ala(); cout << "随机写入:\t长度为" << size << " 值全是 " << (unsigned char )( 'a' + ala) << endl; for ( int i = 0; i < size; i++) { (*src)[i] = 'a' + ala; } return size; } void buffer::adjust_buffer() { if (m_read_index == 0) //数据已经在头部,直接返回 return ; int used_size = m_write_index - m_read_index; if (used_size == 0) { //缓冲区为空,重置读写指针 m_write_index = 0; m_read_index = 0; } else { cout << "调整前read_index write_index" << m_read_index << " " << m_write_index << endl; memcpy (m_s, &m_s[m_read_index], used_size); //将数据拷贝至头部 m_write_index -= m_read_index; //写指针也前移 cout << "调整了" << used_size << "个字节" << endl; m_read_index = 0; //读指针置0 } cout << "调整后read_index write_index" << m_read_index << " " << m_write_index << endl; } void buffer::expand_buffer( size_t need_size) //need_size需要写入的字节数 { size_t used_size = m_write_index - m_read_index; //used_size表示已经存储的字节数 size_t remain_size = m_max_size - used_size; //remain_size表示剩余空间 size_t expand_size = m_max_size; while (remain_size < need_size) { //剩余空间不够时扩展,用while表示直到扩展至够用 expand_size *= m_expand_par; remain_size = expand_size - used_size; cout << "扩展长度中... 总剩余 总长度 " << remain_size << " " << expand_size << endl; } char * s1 = new char [expand_size](); //申请新的空间 memcpy (s1, m_s, m_max_size); free (m_s); m_s = s1; //将新空间挂载到缓冲区 m_max_size = expand_size; //更新缓冲区总长度 cout << "扩展结束,总长度为" << m_max_size << endl; } |
② 测试
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int main() { srand ((unsigned) time (null)); //调试需要初始化随机种子 buffer* pbuffer = new buffer(); //创建buffer对象 if (pbuffer->init() != 0) //init函数分配缓冲区 return 0; { char * s = nullptr; //s是指向随机数据的指针 char * read = new char [1000]; //读取时将数据存储到的指针read size_t read_size = 0; //本次读取到的字节数 pbuffer->write_to_buffer(s); read_size = pbuffer-> read_from_buffer(read, -1); pbuffer->write_to_buffer(s); pbuffer->pop_bytes(-2); read_size = read_size = pbuffer-> read_from_buffer(read, 0); pbuffer->write_to_buffer(s); cout << "总写入\t" << total_write << endl;; cout << "总读取\t" << total_read << endl; cout << "目前写入" << total_write - total_read << endl; cout << "可读取\t" << pbuffer->readable_bytes()<< endl; printf ( " write %d read %d \n" , pbuffer->peek_write(),pbuffer->peek_read()); if (total_write - total_read != pbuffer->readable_bytes()) { //根据总写入-总读取和一共存储的字节数判断是否存储正确 cout << "error!!!" << endl; } else cout << "test is ok\n\n\n" ; } delete s; delete [] read; delete pbuffer; return 0; } |
随机1000000次测试
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int main() { srand ((unsigned) time (null)); //调试需要初始化随机种子 buffer* pbuffer = new buffer(); //创建buffer对象 if (pbuffer->init() != 0) //init函数分配缓冲区 return 0; char * s = nullptr; //s是指向随机数据的指针 char * read = new char [1000]; //读取时将数据存储到的指针read size_t read_size = 0; //本次读取到的字节数 unsigned long long time = 0; //调试的循环次数 while (1) { pbuffer->write_to_buffer(s); read_size = pbuffer-> read_from_buffer(read, -1); pbuffer->write_to_buffer(s); pbuffer->write_to_buffer(s); pbuffer->pop_bytes(-2); read_size = read_size = pbuffer-> read_from_buffer(read, 0); pbuffer->write_to_buffer(s); pbuffer->pop_bytes(-2); pbuffer->write_to_buffer(s); read_size = pbuffer-> read_from_buffer(read, -1); pbuffer->write_to_buffer(s); pbuffer->write_to_buffer(s); read_size = pbuffer-> read_from_buffer(read, 22); pbuffer->write_to_buffer(s); pbuffer->write_to_buffer(s); read_size = pbuffer-> read_from_buffer(read, -1); pbuffer->pop_bytes(-2); pbuffer->pop_bytes(-2); pbuffer->write_to_buffer(s); pbuffer->write_to_buffer(s); read_size = pbuffer-> read_from_buffer(read, 2); pbuffer->write_to_buffer(s); read_size = pbuffer-> read_from_buffer(read, 17); pbuffer->write_to_buffer(s); pbuffer->pop_bytes(-2); pbuffer->write_to_buffer(s); pbuffer->write_to_buffer(s); pbuffer->read_from_buffer(read, 18); cout << "总写入\t" << total_write << endl;; cout << "总读取\t" << total_read << endl; cout << "目前写入" << total_write - total_read << endl; cout << "可读取\t" << pbuffer->readable_bytes()<< endl; printf ( " write %d read %d \n" , pbuffer->peek_write(),pbuffer->peek_read()); if (total_write - total_read != pbuffer->readable_bytes()) { //根据总写入-总读取和一共存储的字节数判断是否存储正确 cout << "error!!!" << endl; break ; } if ( time == 1000000) //循环1000000次 { cout << "1000000 ok!!!" << endl; break ; } cout << time ++ << " is ok\n\n\n" ; } delete s; delete [] read; delete pbuffer; return 0; } |
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