BS_Praktikum4/ring_buffer.h

#pragma once
#include <vector>
#include <cstddef>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

/**
 * Thread-sicherer Ringpuffer mit fester Größe
 * @tparam N Größe des Puffers (muss > 1 sein)
 * 
 * Implementiert das Producer-Consumer Pattern mit:
 * - Mutex für exklusiven Zugriff
 * - Condition Variable für blockierendes Pop
 * - Überschreibt älteste Daten bei vollem Puffer
 */
template <size_t N>
class RingBuffer {
    static_assert(N > 1, "Buffer size must be greater than 1");
    
private:
    std::vector<int> data;     // Speicher für Elemente
    size_t read_ptr = 0;       // Lesezeiger (nächstes zu lesendes Element)
    size_t write_ptr = 0;      // Schreibzeiger (nächstes freie Position)
    bool full = false;         // Flag, ob Puffer voll ist

    // Synchronisationsprimitive
    std::mutex mtx;                   // Schützt alle internen Zustände
    std::condition_variable not_empty; // Signalisiert, dass Daten verfügbar sind

    // Hilfsfunktion: Zeiger mit Ringverhalten bewegen
    size_t advance(size_t ptr) const {
        return (ptr + 1) % N;
    }

public:
    RingBuffer() : data(N, 0) {}

    /**
     * Schreibt Wert in den Puffer
     * @param value Der zu schreibende Wert
     * 
     * Funktionsweise:
     * 1. Sperrt Mutex für exklusiven Zugriff
     * 2. Schreibt Wert an aktueller write_ptr
     * 3. Bei vollem Puffer: Bewegt read_ptr (überschreibt ältesten Wert)
     * 4. Aktualisiert write_ptr und full-Flag
     * 5. Benachrichtigt einen wartenden Consumer
     */
    void push(int value) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        
        // Schreibe Wert
        data[write_ptr] = value;
        
        // Überschreibe ältesten Wert bei vollem Puffer
        if(full) {
            read_ptr = advance(read_ptr);
        }
        
        // Zeiger aktualisieren
        write_ptr = advance(write_ptr);
        full = (write_ptr == read_ptr);
        
        // Benachrichtige einen wartenden Consumer
        not_empty.notify_one();
    }

    /**
     * Liest Wert aus dem Puffer (blockierend)
     * @return Der gelesene Wert
     * 
     * Funktionsweise:
     * 1. Sperrt Mutex
     * 2. Wartet mit Condition Variable bis Daten verfügbar
     * 3. Liest Wert an read_ptr
     * 4. Aktualisiert read_ptr und full-Flag
     * 5. Gibt Wert zurück
     */
    int pop() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        
        // Warte bis Daten verfügbar (verhindert Busy Waiting)
        not_empty.wait(lock, [this]() { 
            return !is_empty(); 
        });
        
        // Lese und aktualisiere Zustand
        int value = data[read_ptr];
        read_ptr = advance(read_ptr);
        full = false;
        
        return value;
    }

    // Prüft ob Puffer leer ist
    bool is_empty() const {
        return !full && (read_ptr == write_ptr);
    }
    
    // Prüft ob Puffer voll ist
    bool is_full() const {
        return full;
    }
};