在C中实现双缓冲区

Question

所以我的数据采集速率非常高，为16MB/s。我正在从设备文件将 4MB 数据读入缓冲区，然后对其进行处理。然而，这种先写后读的方法对于项目来说太慢了。我想在 C 中实现双缓冲区。

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数据。我创建的是一个 C 程序，它生成两个单独的线程 readThread 和 writeThread。我让 readThread 调用我的交换函数来交换缓冲区的指针。

这个实现很糟糕，因为我在互斥体之外使用共享内存。事实上，我有点不好意思发布它，但它至少会让你知道我正在尝试做什么。但是，我似乎无法想出一种实用的方法来同时读取和写入两个单独的缓冲区，然后在两个线程完成写入和读取后调用交换。

有人可以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（我知道这个名字很蠢）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会更容易。每个线程都有自己的信号量来指示缓冲区已准备好读取或写入，并且每个线程都有自己的循环结构数组索引，每个结构都包含指向缓冲区的指针和缓冲区大小。对于双缓冲，循环数组仅包含两个结构。

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，将写入线程信号量计数设置为0，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。

读取线程等待其信号量上的非零信号量计数 (sem_wait)，读入缓冲区，设置缓冲区大小，增加写入线程信号量计数 (sem_post) 并将其索引“推进”到结构的循环数组。

写入线程等待其信号量上的非零信号量计数 (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) 并将其索引“推进”到循环结构数组。

读取完成后，读取线程将结构体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，从而允许更多的数据嵌套。

我必须使用类似的东西来进行高速数据捕获，但在这种情况下，输入流比单个硬盘驱动器更快，因此使用了两个硬盘驱动器，并且输出在两个写入线程之间交替。一个写入线程在“偶数”缓冲区上操作，另一个在“奇数”缓冲区上操作。

对于 Windows，通过它的 WaitForMultipleObjects()（除了 Posix 之外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。互斥锁控制队列更新的队列所有权，信号量指示队列上待处理的项目数。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，减少信号量计数并解除线程阻塞。消息发送者只需要在互斥锁上调用 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锁。这消除了线程之间的任何优先级问题。