在C中实现双缓冲

2023年9月2日 283次阅读

所以我的数据采集速率非常高,为16MB / s.我正在从设备文件中读取4MB数据到缓冲区然后进行处理.然而,这种写作然后阅读的方法对项目来说是缓慢的.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,它产生两个独立的线程readThread和writeThread.我让readThread调用我的交换函数来交换缓冲区的指针.

这个实现非常糟糕,因为我在Mutex之外使用共享内存.我实际上有点尴尬发布它,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.

有人可以告诉我是否可以实现双缓冲并让我知道如何使用信号来控制线程的读写时间？

请注意,readToBuff(我知道的哑名称)和writeToBuff实际上并没有做任何事情,目前它们有空白功能.

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);
}

最佳答案 使用一对信号量似乎更容易.每个线程都有自己的信号量,表示缓冲区已准备好被读入或写入,每个线程都有自己的索引到一个循环结构数组中,每个结构都包含一个指向缓冲区和缓冲区大小的指针.对于双缓冲,圆形阵列仅包含两个结构.

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,它将立即等待其信号量.

读取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,增加写入线程信号量计数(sem_post)并将其索引“前进”到循环结构数组.

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)并将其索引“前进”到循环数组结构

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.

圆形结构阵列可以包括不止两个结构,允许更多的数据嵌套.

我不得不使用类似的高速数据捕获,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,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,另一个写入“奇数”缓冲区.

在Windows的情况下,使用WaitForMultipleObjects()(几乎与Posix之外的每个操作系统都有),每个线程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,信号量指示队列中待处理项的数量.对于检索消息,单个原子WaitForMultipleObjects()等待互斥锁和非零信号量计数,当两者都发生时,递减信号量计数并取消阻塞线程.消息发送者,只需要在互斥锁上使用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

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