C++数据结构与算法之双缓存队列实现方法详解

C++数据结构与算法之双缓存队列实现方法详解

引言

在实际开发中，双缓存队列是一个非常常见的数据结构，主要用来解决多线程情况下的数据同步问题。本篇文章将详细介绍如何使用C++语言实现双缓存队列。

双缓存队列简介

双缓存队列是一种常用的同步数据结构，它并非一个标准库中的容器，通常需要手动实现。双缓存队列维护着两个缓存区，一个当前使用的缓存区，一个需要被更新的缓存区。当当前使用的缓存区满时，需要对需要被更新的缓存区进行更新，这样就可以保证多线程下的数据同步，避免了对共享数据的冲突写。

双缓存队列的实现需要使用两个缓存区进行轮换。当当前使用的缓存区满时，需要将其标记为需要被更新的缓存区，并将数据写入需要被更新的缓存区。此时需要将两个缓存区进行轮换，变更当前使用的缓存区，并将标记为需要被更新的缓存区置空，以备下一次写入数据。这个过程需要代码的支持。

双缓存队列的代码实现

下面是使用C++语言实现双缓存队列的代码实现：

template<typename T>
class DoubleBufferQueue{
public:
    explicit DoubleBufferQueue(size_t capacity) :max_size_(capacity){
        buffer1_.reserve(max_size_);
        buffer2_.reserve(max_size_);
        current_buffer_ = &buffer1_;
        need_write_buffer_ = &buffer2_;
    }

    bool Push(const T & t){
        std::lock_guard<std::mutex> guard(lock_);

        if (current_buffer_->size() >= max_size_){
            need_write_buffer_->push_back(t);
            return false;
        }
        current_buffer_->push_back(t);
        return true;
    }

    void Swap(){
        std::lock_guard<std::mutex> guard(lock_);

        if (need_write_buffer_->empty()) return;

        current_buffer_->swap(*need_write_buffer_);
        std::swap(current_buffer_, need_write_buffer_);
    }

    size_t Count() {
        std::lock_guard<std::mutex> guard(lock_);

        return current_buffer_->size() + need_write_buffer_->size();
    }

private:
    std::vector<T> buffer1_, buffer2_;
    std::vector<T> *current_buffer_;
    std::vector<T> *need_write_buffer_;
    size_t max_size_;
    std::mutex lock_;
};

在上面的代码中，我们定义了一个双缓存队列类DoubleBufferQueue，需要传入一个缓存区的最大容量。构造函数中初始化了两个缓存区，分别是buffer1_和buffer2_，以及当前使用的缓存区指针current_buffer_和需要被更新的缓存区指针need_write_buffer_。我们使用了std::vector作为缓存区，这里我们假定T是可以被拷贝的类型。

Push()方法实现了往缓存区写入数据的功能。如果当前使用的缓存区已满，则将数据写入需要被更新的缓存区，同时返回false以表示写入失败；如果当前使用的缓存区未满，则将数据写入当前缓存区，并返回true表示写入成功。

Swap()方法用于交换两个缓存区，实现了轮换的功能。它首先判断需要被更新的缓存区是否为空，如果为空则无需进行轮换，直接返回。否则就把当前使用的缓存区和需要被更新的缓存区进行交换，并更新指针。

Count()方法用于返回当前缓存区中数据的个数。它首先将当前使用的缓存区中的元素个数和需要被更新的缓存区中的元素个数加起来，最后返回这个值。

下面是一个使用双缓存队列的示例，用于统计一个统计一段时间内的请求数量：

DoubleBufferQueue<int> request_queue(2000);

void RequestHandler() {
    int count = 0;
    while (true) {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));//模拟处理请求
        count++;
        if (!request_queue.Push(count)) {
            request_queue.Swap();
        }
    }
}

void Statistician() {
    int total_count = 0;
    while (true) {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));//统计间隔1s
        request_queue.Swap();//轮换缓存区
        total_count += request_queue.Count();
        std::cout << "Total Requests: " << total_count << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(RequestHandler);
    std::thread t2(Statistician);

    t1.join();
    t2.join();
}

在上面的代码中，我们定义了两个线程，一个负责请求处理(RequestHandler)，另一个负责统计请求数量(Statistician)。每次请求处理完毕后，将请求计数器自增1，并通过双缓存队列对象request_queue写入缓存区。如果缓存区已满，则调用Swap()方法，将两个缓存区进行轮换。

在统计线程中，我们每隔一秒钟调用Swap()方法，将两个缓存区进行轮换，并计算当前缓存区中元素的总个数，输出到控制台。

总结

使用双缓存队列可以有效地避免多线程下的数据同步问题，提高了程序的并发性能。通过本篇文章，我们详细介绍了双缓存队列的实现方法，并且给出了一个使用双缓存队列实现请求统计功能的示例。

通过代码实现，我们了解了双缓存队列的原理，以及多线程编程时如何使用双缓存队列来进行数据同步，不仅扩展了我们的算法与数据结构知识，也为我们提供了一种解决多线程问题的良好思路。