c++怎样实现一个简易的网络缓冲区的实践
发表于：2025-02-01 作者：千家信息网编辑
千家信息网最后更新 2025年02月01日，这期内容当中小编将会给大家带来有关c++怎样实现一个简易的网络缓冲区的实践，文章内容丰富且以专业的角度为大家分析和叙述，阅读完这篇文章希望大家可以有所收获。1. 前言请思考以下几个问题：1）.为什么需
千家信息网最后更新 2025年02月01日c++怎样实现一个简易的网络缓冲区的实践
这期内容当中小编将会给大家带来有关c++怎样实现一个简易的网络缓冲区的实践，文章内容丰富且以专业的角度为大家分析和叙述，阅读完这篇文章希望大家可以有所收获。
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
2. 数据结构
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 onceclass 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#include 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; }上述就是小编为大家分享的c++怎样实现一个简易的网络缓冲区的实践了，如果刚好有类似的疑惑，不妨参照上述分析进行理解。如果想知道更多相关知识，欢迎关注行业资讯频道。
缓冲区
缓冲
数据
字节
长度
存储
空间
指针
剩余
位置
调整
函数
设计
内存
头部
不够
指向
分配
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