手把手教你实现buffer(四)——webrtc中的CopyOnWriteBuffer

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前面的三篇文章介绍了 Buffer实现原理，简单的来说， Buffer就像一个 vector<uint8_t>，自动管理内存，自动扩容，相比 vector<uint8_t>它提供了更易用的写入，读取数据的接口。它可以作为一个基本 Buffer，在它的基础上构建功能更多丰富的buffer类。

在webrtc中有一个CopyOnWriteBuffer类，它就是基于Buffer实现了一个写时复制功能的buffer。

功能

写时复制指在改变内容时，产生一个buffer的拷贝，在拷贝上更改内容，而不影响原buffer的内容。这是CopyOnWriteBuffer的核心特性。它还具有如下几个特性：

它是个动态buffer，有size和容量的概念，容量大于size。容量变大后就不会减小(基于Buffer)
该对象支持拷贝语义，移动语义(基于Buffer对象)
拷贝语义，是让多个CopyOnwrite对象共享内存(Buffer对象)
当调用改动接口时，则会生成buffer的拷贝(产生新的Buffer对象)

作用

在流媒体，实时音视频这类应用中有个基本流程就是收媒体流，处理，再发送媒体流：

在收流时，对媒体数据都是读操作，那么使用CopyOnWriteBuffer就很适合，将媒体数据写入CopyOnWirteBuffer对象，将以值语义传递，内部的Buffer并不会拷贝，这样比使用裸指针更方便，因为CopyOnWriteBuffer就提供了多种操作/读取数据的接口。
在处理时，比如媒体流转发应用，通常只需要在rtp包中更改某些字段，再转发出去。那么将rtp包放入CopyOnWriteBuffer中，在更改时，自动copy一份rtp包。这样比直接使用裸指针更方便。

实现

内部buffer是一个Buffer类型shared_ptr指针，表述它的语义就是可以共享_buffer。

//是一个Buffer对象
std::shared_ptr<Buffer> _buffer;

复制语义

CopyOnWriteBuffer支持复制语义，所以有复制构造函数，赋值操作符。

//复制构造函数
CopyOnWriteBuffer(const CopyOnWriteBuffer& buf);
//赋值操作符
CopyOnWriteBuffer& operator=(const CopyOnWriteBuffer& buf);

复制语义的作用就是让多个CopyOnWriteBuffer对象共享_buffer。

CopyOnWriteBuffer::CopyOnWriteBuffer(const CopyOnWriteBuffer& buf)
    : _buffer(buf._buffer), _offset(buf._offset), _size(buf._size) {
    
    }

赋值操作符，也是如此：

CopyOnWriteBuffer& operator=(const CopyOnWriteBuffer& buf) {
    
    
        assert(IsConsistent());
        assert(buf.IsConsistent());
        if (&buf != this) {
    
    
            _buffer = buf._buffer;
            _offset = buf._offset;
            _size = buf._size;
        }

        return *this;
    }

移动语义

CopyOnWriteBuffer定义有移动构造函数和**移动赋值函数。 **通过std::move将_buffer的所有权交给另外一个CopyOnWriteBuffer对象。

CopyOnWriteBuffer::CopyOnWriteBuffer(CopyOnWriteBuffer&& buf)
    : _buffer(std::move(buf._buffer)), _offset(buf._offset), _size(buf._size) {
    
    
    buf._offset = 0;
    buf._size = 0;
    assert(IsConsistent());
}

移动赋值操作符也是如此：

CopyOnWriteBuffer& operator=(CopyOnWriteBuffer&& buf) {
    
    
    assert(IsConsistent());
    assert(buf.IsConsistent());
    _buffer = std::move(buf._buffer);
    _offset = buf._offset;
    _size = buf._size;
    buf._offset = 0;
    buf._size = 0;
    return *this;
}

写时复制

CopyOnWriteBuffer核心特性就是写时复制，多个CopyOnWriteBuffer对象共享一个 Buffer，当某个对象改动Buffer时，就会对这个对象产生一个新的Buffer。涉及到修改Buffer的接口如下：

void AppendData(const uint8_t*data, size_t size)
uint8_t& operator[](size_t index)
void SetSize(size_t size)
void SetData(const uint8_t*data, size_t size)

前三个方法都会调用UnshareAndEnsureCapacity方法，通过它来确定是否产生新的Buffer。

UnshareAndEnsureCapacity 方法

如函数名表示的意思，它有两个逻辑：如果_buffer被共享则产生一个新的_buffer对象；如果没有被共享，则通过capacity来确认是否需要产生一个新的_buffer对象。

void CopyOnWriteBuffer::UnshareAndEnsureCapacity(size_t new_capacity) {
    
    
    if (_buffer.unique() && new_capacity <= capacity()) {
    
    
        return;
    }

    _buffer.reset(new Buffer(_buffer->data() + _offset, _size, new_capacity));
    _offset = 0;
    assert(IsConsistent());
}

写时复制的一个例子

下面这个例子是使用AppendData的例子

const uint8_t kTestData[] = {
    
    0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0xa,0xb,0xc,0xd,0xe,0xf};

//共享
CopyOnWriteBuffer buf23(kTestData,3,10);
CopyOnWriteBuffer buf24(buf23);

const uint8_t* d1 = buf23.cdata();
const uint8_t* d2 = buf24.cdata();
std::cout<<"before append data d1 == d2 "<<(d1 == d2)<<",buf23 size "<<buf23.size()<<",buf24 size "<<buf24.size()<<",buf23 c "<<buf23.capacity()<<",buf24 c "<<buf24.capacity()<<std::endl;
    
uint8_t moreData[] = {
    
    17,18,19};

//buf24 调用Append时，会产生一个新的buffer
buf24.AppendData(moreData,3);
   
std::cout<<"after append data,buf23 size "<<buf23.size()<<",buf24 size "<<buf24.size()<<",buf23 c "<<buf23.capacity()<<",buf24 c "<<buf24.capacity()<<std::endl;
    
const uint8_t* d3 = buf24.cdata();
std::cout<<"d1 == d3 "<<(d1 == d3)<<std::endl;

//打印buf23的内容:1,2,3
std::cout<<"print buf23 data:";
for (size_t i=0; i<buf23.size(); ++i) {
    
    
    std::cout<<static_cast<int>(buf23[i])<<" ";
}

std::cout<<std::endl;

//打印buf24的内容:1,2,3,17,18,19
std::cout<<"print buf24 data:";
for (size_t i=0; i<buf24.size(); ++i) {
    
    
    std::cout<<static_cast<int>(buf24[i])<<" ";
}

std::cout<<std::endl;

slice方法

用于对CopyOnWriteBuffer对象进行分片，产生的一个从原对象offset处，size为length，新的CopyOnWriteBuffer对象，它与原对象共享_buffer。

CopyOnWriteBuffer Slice(size_t offset, size_t length) const {
    
    
    CopyOnWriteBuffer slice(*this);
    slice._offset += offset;
    slice._size = length;
    return slice;
}

示例代码

const uint8_t kTestData[] = {
    
    0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0xa,0xb,0xc,0xd,0xe,0xf};

CopyOnWriteBuffer ssbuf(kTestData,10,10);
//slice并不导致产生新buffer
CopyOnWriteBuffer sslice = ssbuf.Slice(0,3);
//sslice[0]改变了，将产生一个新的buffer
sslice[0] = 0xaa;
//sslice[0]的值为170
std::cout<<"sslice index 0 "<<static_cast<int>(*sslice.cdata())<<std::endl;
//ssbuf[0]的值为1
std::cout<<"ssbuf index 0 "<<static_cast<int>(*ssbuf.cdata())<<std::endl;
std::cout<<"sslic data == ssbuf data "<<(sslice.cdata() == ssbuf.cdata())<<std::endl;

总结

CopyOnWriteBuffer的实现基于Buffer，在功能上强于Buffer。我们也可以根据业务的需求，基于Buffer封装自己的Buffer类。