手撕代码系列（二）—— 实现RingBuffer环形缓冲区，也称循环队列

1. 特性描述

Ring Buffer称作环形缓冲区，也称作循环队列，是一种用于表示一个固定尺寸、头尾相连的缓冲区的数据结构，适合缓存数据流。

在任务间的通信、串口数据收发、log缓存、网卡处理网络数据包、音频/视频流处理中均有环形缓冲区（ring buffer） 的应用。

本次要实现的RingBuffer的基本特性如下：

• Front: 从队首获取元素。如果队列为空，返回默认值。
• Rear: 获取队尾元素。如果队列为空，返回默认值。
• InQueue(value): 向RingBuffer插入一个元素。如果成功插入则返回真。
• DeQueue(): 从RingBuffer中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
• IsEmpty(): 检查RingBuffer是否为空。
• IsFull(): 检查RingBuffer是否已满。
• 固定容量Capacity，必须是 2 的幂
• 存储任意类型，因此需要使用模板编程

进阶特性：

• 支持移动语义，减少不必要的拷贝，特别适合大对象或不可拷贝但可移动的类型
• 支持多线程环境下的无锁并发读写（使用atomic），单生产者单消费者场景下线程安全
• 内部使用 64字节缓存行对齐（使用alignas特性），避免伪共享问题

2. 工作过程

先不要想环形缓冲区（ring buffer）的具体实现细节，来看一个简单的例子。如下是一个空间大小为 7的环形缓冲区，其中底部的单线箭头表示“头尾相连”形成一个环形地址空间：

假定1被写入缓冲区中部（对于环形缓冲区来说，最初的写入位置在哪里是无关紧要的）：

再写入两个元素，分别是2和3，这两个元素被追加到1之后：

如果读出两个元素，那么环形缓冲区中最老的两个元素将被读出（先进先出原则）。在本例中1和2被读出，缓冲区中剩下3：

紧接着，向缓冲区中写入六个元素4、5、6、7、8、9，这时缓冲区会被装满：