Kodlo-chan
128 lines
8.9 KiB
Markdown
128 lines
8.9 KiB
Markdown
# Задача 03 — кольцевой буфер (C++)
|
||
|
||
> Разминка уровня «основная»: структура маленькая, но встречается везде. Ориентир — 40–60 минут.
|
||
|
||
## Глава I. Общая информация
|
||
|
||
- **Цель:** научиться писать структуру с фиксированной памятью и без сдвигов элементов.
|
||
- **Почему это в Eltex:** приём/передача пакетов, буферы DMA, очереди между потоками —
|
||
всё это кольцевые буферы. Понимание wrap-around и «полный/пустой» — прямой вопрос на
|
||
собеседовании. Механизм тот же, что у сетевой карты: пакеты пишутся в кольцо по мере
|
||
прихода, драйвер вычитывает их с другого конца, и обе стороны никогда не двигают уже
|
||
записанные данные по памяти — двигаются только индексы `head`/`tail`.
|
||
- **Что сдаётся:** `solution.cpp`, проходящий `python3 grade.py 03`.
|
||
|
||
## Глава II. Что нужно знать до старта
|
||
|
||
Идея: массив фиксированного размера + два индекса. `head` — куда писать, `tail` — откуда
|
||
читать. Когда индекс доходит до конца, он возвращается в начало: `idx = (idx + 1) % capacity`.
|
||
Сдвигать элементы не нужно никогда — в этом весь смысл: `push`/`pop` двигают только индекс,
|
||
а не байты в памяти, поэтому обе операции остаются O(1) независимо от размера буфера.
|
||
|
||
Ловушка, из-за которой задача попадает в собеседования: **как отличить пустой буфер от
|
||
полного, если оба индекса совпали?** При `head == tail` возможны оба состояния — буфер мог
|
||
быть только что создан (пуст) или заполнен ровно `capacity` раз (полон) — по одним индексам
|
||
это не различить. Варианты: хранить счётчик `size`, либо оставлять одну ячейку свободной.
|
||
В нашем интерфейсе есть `size()`, поэтому проще хранить счётчик.
|
||
|
||
Почему дальше: тот же счётчик `size_` вместо пересчёта по индексам — частый приём и в
|
||
`std::deque`, и в реализациях lock-free очередей, где индексы вообще нельзя лишний раз читать.
|
||
|
||
## Глава III. Задание
|
||
|
||
```c++
|
||
class RingBuffer {
|
||
public:
|
||
explicit RingBuffer(size_t capacity);
|
||
~RingBuffer();
|
||
bool push(int v); // false, если буфер полон (перезапись НЕ делать)
|
||
bool pop(int& out); // false, если буфер пуст
|
||
size_t size() const;
|
||
size_t capacity() const;
|
||
bool empty() const;
|
||
bool full() const;
|
||
};
|
||
```
|
||
|
||
Требования:
|
||
|
||
- O(1) на `push`/`pop`, никаких сдвигов элементов;
|
||
- память выделяется один раз в конструкторе и освобождается в деструкторе;
|
||
- корректное поведение после заворачивания индексов (записали до конца, продолжили с начала);
|
||
- двойного освобождения быть не должно.
|
||
|
||
## Глава IV. Ступени
|
||
|
||
**Ступень 1 (10 минут).** Поля: указатель на массив, `capacity_`, `size_`, `head_`, `tail_`.
|
||
Конструктор выделяет массив и обнуляет поля. Деструктор освобождает. Если хочешь короче —
|
||
`std::vector<int>` вместо ручного `new[]`, тогда деструктор не нужен вовсе.
|
||
|
||
**Ступень 2 (10 минут).** `empty()` — это `size_ == 0`, `full()` — `size_ == capacity_`.
|
||
Проверь на буфере ёмкости 1: после одного `push` он полон, после одного `pop` пуст.
|
||
|
||
**Ступень 3 (15 минут).** `push`: если полон — вернуть `false` и ничего не менять; иначе
|
||
записать в `head_`, сдвинуть `head_ = (head_ + 1) % capacity_`, увеличить `size_`, вернуть `true`.
|
||
|
||
**Ступень 4 (15 минут).** `pop`: если пуст — `false`; иначе отдать `buffer_[tail_]`, сдвинуть
|
||
`tail_`, уменьшить `size_`, вернуть `true`.
|
||
|
||
**Ступень 5.** Проверь руками wrap-around: ёмкость 4, положи 4 элемента, сними 2, положи
|
||
ещё 3 — все значения должны идти в правильном порядке. Затем `python3 grade.py 03`.
|
||
|
||
## Глава V. Критерии приёмки
|
||
|
||
`PASS` от `grade.py 03`: сборка без предупреждений, ASAN/UBSAN чистые, все проверки `ok`,
|
||
включая порядок FIFO и корректный wrap-around.
|
||
|
||
## Глава VI. Подсказки (после первой попытки)
|
||
|
||
<details>
|
||
<summary>Значения после заворота идут не в том порядке</summary>
|
||
|
||
Проверь, что `pop` читает именно `tail_`, а `push` пишет именно в `head_`, и что оба индекса
|
||
инкрементируются **после** операции. Классическая ошибка — сдвинуть `head_` до записи.
|
||
</details>
|
||
|
||
<details>
|
||
<summary>Перезапись при полном буфере</summary>
|
||
|
||
Ты не проверяешь `full()` в `push`. По условию перезапись запрещена: полный буфер возвращает
|
||
`false` и не портит старые данные.
|
||
</details>
|
||
|
||
<details>
|
||
<summary>ASAN: утечка или двойное освобождение</summary>
|
||
|
||
Если память выделена через `new[]`, освобождать нужно `delete[]` (не `delete`). Проще взять
|
||
`std::vector<int>` — тогда вопрос исчезает.
|
||
</details>
|
||
|
||
## Глава VII. Ловушки
|
||
|
||
- Сдвиг элементов вместо индексов → цена `push`/`pop` вырастает до O(n) → теряется весь
|
||
смысл структуры, видно по сравнению с наивным `std::vector` на бенчмарке.
|
||
- Путаница «пусто/полно» при совпавших индексах (`head_ == tail_`) без отдельного `size_` →
|
||
`full()` и `empty()` дают одинаковый ответ на разных состояниях → тест на заполненный буфер
|
||
ёмкости > 1 падает.
|
||
- `%` на каждом шаге там, где можно было обойтись условием — не ошибка, но на собеседовании
|
||
спросят «а быстрее можно?» (ответ: `if (++idx == cap) idx = 0;`, деление по модулю дороже
|
||
сравнения).
|
||
- Копирование объекта без правила трёх/пяти → два объекта владеют одним и тем же `new[]`-буфером
|
||
→ двойное освобождение при выходе обоих из области видимости, ловится ASAN. Если сдаёшь с
|
||
ручным `new[]`, запрети копирование (`= delete`).
|
||
|
||
**Факты для карточек**
|
||
- base | Сложность `push`/`pop` кольцевого буфера? — O(1)
|
||
- core | Как отличить пустой буфер от полного при `head_ == tail_`? — хранить отдельный
|
||
счётчик `size_` (или жертвовать одной ячейкой)
|
||
- core | Чем `delete[]` отличается от `delete` для массива, выделенного `new[]`? — `delete`
|
||
без `[]` на массиве — UB, вызовет деструктор только для первого элемента и испортит подсчёт
|
||
размера аллокации
|
||
- base | Какое условие делает `push` дешевле, чем `% capacity_` на каждый вызов? —
|
||
`if (++idx == cap) idx = 0;`
|
||
|
||
## После сдачи
|
||
|
||
Разбор: как устроены буферы в драйверах (ring buffer с head/tail для DMA), почему в
|
||
многопоточном варианте нужны атомарные индексы и `memory_order`.
|