c++实现一个简易的网络缓冲区的实践
目录
1. 前言
2. 数据结构
3. 外部接口设计与实现
4. 完整代码与测试
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
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。
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
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。
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
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
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()。
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
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
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
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：
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
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
#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:
#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
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
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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