在 C 中实现双缓冲区

Question

所以我有 16MB/s 的非常高的数据采集率。我正在从设备文件中将 4MB 的数据读入缓冲区，然后对其进行处理。但是，这种先写后读的方法对项目来说很慢。我想在 C 中实现一个双缓冲区。

为了简化我对双缓冲区的想法，为了简单起见，我决定不包括从设备文件中读取。我创建的是一个 C 程序，它产生两个单独的线程 readThread 和 writeThread。我让 readThread 调用了交换缓冲区指针的交换函数。

这个实现很糟糕，因为我在 Mutex 之外使用共享内存。我实际上有点尴尬地发布它，但它至少会让你知道我想要做什么。但是，我似乎无法想出一种实用的方法来同时读取和写入单独的缓冲区，然后在两个线程完成写入和读取后调用交换。

谁能告诉我是否可以实现双缓冲，并告诉我如何使用信号来控制线程何时读写？

请注意，readToBuff（我知道的哑名称）和 writeToBuff 目前实际上并没有做任何事情，它们有空白函数。

这是我的代码：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

pthread_t writeThread;
pthread_t readThread;
pthread_mutex_t buffer_mutex;

char buff1[4], buff2[4];

struct mutex_shared {
    int stillReading, stillWriting, run_not_over;
    char *writeBuff, *readBuff;
} SHARED;

void *writeToBuff(void *idk) {
    while(!SHARED.run_not_over) {
        SHARED.stillWriting = 1;
        for(int i = 0; i < 4; i++) {
        }
        SHARED.stillWriting = 0;
        while(SHARED.stillReading){};
    }    
    printf("hello from write\n");
    return NULL;
}

void *readToBuff(void *idk) {
    while(!SHARED.run_not_over) {
        SHARED.stillReading = 1;
        for(int i = 0; i < 4; i++) {
        }
        while(SHARED.stillWriting){};
        swap(writeThread,readThread);
    }

    printf("hello from read");
    return NULL;
}

void swap(char **a, char **b){
    pthread_mutex_lock(&buffer_mutex);
        printf("in swap\n");
        char *temp = *a;
        *a = *b;
        *b = temp;
        SHARED.stillReading = 0;
        //SHARED.stillWriting = 0;
    pthread_mutex_unlock(&buffer_mutex);
}

int main() {
    SHARED.writeBuff = buff1;
    SHARED.readBuff = buff2;
    printf("buff1 address %p\n", (void*) &buff1);
    printf("buff2 address %p\n", (void*) &buff2);

    printf("writeBuff address its pointing to %p\n", SHARED.writeBuff);
    printf("readBuff address its pointing to %p\n", SHARED.readBuff);

    swap(&SHARED.writeBuff,&SHARED.readBuff);

    printf("writeBuff address its pointing to %p\n", SHARED.writeBuff);
    printf("readBuff address its pointing to %p\n", SHARED.readBuff);

    pthread_mutex_init(&buffer_mutex,NULL);

    printf("Creating Write Thread\n");

    if (pthread_create(&writeThread, NULL, writeToBuff, NULL)) {

        printf("failed to create thread\n");
        return 1;
    }
    printf("Thread created\n");
    printf("Creating Read Thread\n");
    if(pthread_create(&readThread, NULL, readToBuff, NULL)) {
            printf("failed to create thread\n");
            return 1;
    }
    printf("Thread created\n");
    pthread_join(writeThread, NULL);
    pthread_join(readThread, NULL);
    exit(0);
}

Answer 1

使用一对信号量似乎更容易。每个线程都有自己的信号量来指示缓冲区已准备好被读取或写入，并且每个线程都有自己的索引到结构的循环数组中，每个结构都包含指向缓冲区和缓冲区大小的指针。对于双缓冲，循环数组只包含两个结构。

初始状态将读取线程的信号量计数设置为 2，将读取索引设置为第一个缓冲区，写入线程的信号量计数设置为 0，并将写入索引设置为第一个缓冲区。然后创建写入线程，该线程将立即等待其信号量。

读线程在其信号量上等待非零信号量计数（sem_wait），读入缓冲区，设置缓冲区大小，增加写线程信号量计数（sem_post）并“推进”它的索引到循环数组结构。

写入线程在其信号量上等待非零信号量计数 (sem_wait)，从缓冲区写入（使用读取线程设置的大小），增加读取线程信号量计数 (sem_post) 并“推进”它的索引结构的圆形数组。

读取完成后，读取线程将结构的缓冲区大小设置为零以指示读取链的结束，然后等待写入线程“返回”所有缓冲区。

结构的循环数组可以包含不止 2 个结构，允许更多的数据嵌套。

我不得不使用类似的东西进行高速数据捕获，但在这种情况下，输入流比单个硬盘驱动器快，因此使用了两个硬盘驱动器，输出在两个写入线程之间交替。一个写入线程在“偶数”缓冲区上运行，另一个在“奇数”缓冲区上运行。

在 Windows 的情况下，使用 WaitForMultipleObjects()（除了 Posix 之外的几乎所有操作系统都有），每个线程都可以使用互斥锁和信号量，以及它自己的基于链表的消息队列。互斥量控制队列更新的队列所有权，信号量指示队列中待处理的项目数。为了检索消息，单个原子 WaitForMultipleObjects() 等待互斥体和非零信号量计数，当两者都发生时，递减信号量计数并解除线程阻塞。消息发送者只需要互斥体上的 WaitForObject() 来更新另一个线程消息队列，然后发布（释放）线程信号量并释放互斥体。这消除了线程之间的任何优先级问题。