检测环形缓冲区的无效迭代器

detecting invalid iterators for a ring buffer

本文关键字：无效 迭代器 缓冲区 检测      更新时间：2023-10-16

我正在尝试实现一个环形缓冲区（或循环缓冲区）。与这些实现中的大多数一样，它应该尽可能快、尽可能轻，但仍然提供足够的安全性，足以用于生产。这是一个很难达成的平衡。我尤其面临以下问题。

我想使用所述缓冲区来存储最后n个系统事件。随着新事件的出现，最旧的事件将被删除。然后，我的软件的其他部分可以访问这些存储的事件，并按照自己的节奏进行处理。一些系统可能会以事件到达的速度消耗事件，而另一些系统可能只是偶尔检查。每个系统都会在缓冲区中存储一个迭代器，这样他们就知道上次检查时停在了哪里。只要他们检查得足够频繁，这就没有问题，但尤其是速度较慢的系统可能经常发现自己有一个旧的迭代器，它指向一个缓冲区元素，该元素后来被覆盖，却没有办法检测到。

有没有一种好的（不太昂贵的）方法来检查任何给定的迭代器是否仍然有效？

到目前为止我想到的东西：

  • 保留所有迭代器的列表并存储它们的有效状态（相当昂贵）
  • 不仅在调用系统中存储迭代器，而且在缓冲区的客户端中存储指向元素的副本。在每次访问时，检查元素是否仍然相同。这可能是不可靠的。如果元素已被相同的元素覆盖，则无法检查它是否已更改。此外，找到检查元素的好方法的责任在于客户，这在我看来并不理想

许多环形缓冲区实现根本不关心这一点，或者使用单读单写习惯用法，即读取即删除。

不存储值，而是存储(value, sequence_num)对。推送新的value时，请始终确保它使用不同的sequence_num。对于sequence_num，可以使用单调递增的整数。

然后，迭代器会记住它最后一次查看的元素的sequence_num。如果不匹配，它就会被覆盖。

我同意Roger Lipscombe的观点，使用序列号。

但您不需要存储（value，sequence_num）对：只需存储值，并跟踪到目前为止的最高序列号。由于它是一个环形缓冲区，您可以推断出所有条目的seqnum。

因此，迭代器只是由一个序列号组成。

假设Obj是您存储在环形缓冲区中的对象类型，如果您使用一个简单的数组，您的环形缓冲区将如下所示：

struct RingBuffer {
    Obj buf[ RINGBUFFER_SIZE ] ;
    size_t idx_last_element ;
    uint32_t seqnum_last_element ;
    void Append( const Obj& obj ) { // TODO: Locking needed if multithreaded 
        if ( idx_last_element == RINGBUFFER_SIZE - 1 )
            idx_last_element = 0 ; 
        else 
            ++idx_last_element ;
        buf[ idx_last_element ] = obj ; // copy.
        ++ seqnum_last_element ;
    }
}

迭代器看起来是这样的：

struct RingBufferIterator {
    const RingBuffer* ringbuf ;
    uint32_t seqnum ;
    bool IsValid() { 
        return ringbuf && 
               seqnum <= ringbuf->seqnum_last_element &&
               seqnum > ringbuf->seqnum_last_element - RINGBUFFER_SIZE ; //TODO: handle seqnum rollover.
    }
    Obj* ToPointer() {
         if ( ! IsValid() ) return NULL ;
         size_t idx = ringbuf->idx_last_element - (ringbuf->seqnum_last_element-seqnum) ; //TODO: handle seqnum rollover.
         // handle wrap around:
         if ( idx < 0 ) return ringbuf->buf + RINGBUFFER_SIZE- idx ;
         return ringbuf->buf + idx ;
   }
}

Roger Lipscombe答案的一个变体是使用序列号作为迭代器。序列号应该是单调递增的（当整数类型溢出时要特别小心），有一个固定的步长（例如1）

循环缓冲区本身将正常存储数据，并跟踪其当前包含的最旧序列号（位于尾部位置）。

当取消引用迭代器时，迭代器的序列号将与缓冲区最旧的序列号进行检查。如果它大于或等于（同样要特别注意整数溢出），则可以使用简单的索引计算来检索数据。如果它较小，则意味着数据已被覆盖，而应该检索当前的尾部数据（相应地更新迭代器的序列号）。

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