如何在满时覆盖的无锁 SPSC 环形缓冲区上区分空和满？

Question

在裸机微控制器实时嵌入式系统上，我在覆盖模式下使用简单的单一生产者单一消费者 (SPSC) 环形缓冲区*。因为它是 SPSC，它不需要锁，可以简单地做：

void write(data) {
  buf[writeptr] = data;
  tmp = (writeptr + 1) % BUF_SIZE; // Avoid writeptr++ so that modification of writeptr is atomic 
  writeptr = tmp;
}
T read() {
  d = buf[readptr];
  tmp = (readptr + 1) % BUF_SIZE;
  readptr = tmp;
}
bool is_empty() {
  return writeptr == readptr;
}

然而，问题在于，溢出不仅会丢失被覆盖的一个数据：它会导致缓冲区认为它是空的，实际上会丢失 all 数据。而且不只是 is_empty 错了一次：想象一下缓冲区溢出然后写入了 2 个数据。读取这 2 个数据后，缓冲区将再次显示为空，即使其中确实有 BUF_SIZE - 2 数据。

在没有锁的情况下解决这个问题并不容易。我的目标：

单个生产者、单个消费者环形缓冲区
溢出时覆盖（即覆盖最旧的数据）
适用于轻量级、实时、裸机、嵌入式微控制器
理想情况下没有锁

这可能吗？如果不是：实现其他目标的最小锁使用量是多少？

（平台：ARM Cortex M3 裸机）

"Ring buffers 可用于覆盖模式或 producer/consumer 模式...覆盖模式是如果生产者在消费者可以释放任何东西之前填满缓冲区，生产者将覆盖旧数据。这将丢失最早的事件。"

Answer 1

这相对简单，只要您的缓冲区不大于 64kB（以便指针适合 16 位）。

将您的读写指针放在一个 32 位字的两个 16 位半部分中。如果缓冲区已满，则在编写器中使用 LDREX 和 STREX 操作以原子方式调整读取指针以丢弃最旧的字节。

修改伪代码：

void write(data) {
  buf[writeptr] = data;
  tmp = (writeptr + 1) % BUF_SIZE;

  ATOMIC { 
    writeptr = tmp;

    if (readptr == tmp) {

      readptr = (tmp + 1) % BUF_SIZE;
    }
  }
}

如何在满时覆盖的无锁 SPSC 环形缓冲区上区分空和满？

How to distinguish empty from full on a lock-free SPSC ring buffer that overwrites when full?

embedded

concurrency

real-time

circular-buffer