13-4_Qt 5.9 C++开发指南_基于QWaitCondition 的线程同步_Wait

news2024/9/20 18:38:54

在多线程的程序中，多个线程之间的同步实际上就是它们之间的协调问题。例如上一小节讲到的3个线程的例子中，假设 threadDAQ 写满一个缓冲区之后，threadShow 和 threadSaveFile 才能对缓冲区进行读操作。前面采用的互斥量和基于 OReadWriteLock 的方法都是对资源的锁定和解锁，避免同时访问资源时发生冲突。在一个线程解锁资源后，不能及时通知其他线程。（此处类似于C++中的条件变量，具体可参考：C++新特性36_条件变量的使用（介绍C++11中条件变量的用法；条件变量必须搭配互斥体和条件使用；条件、条件变量、互斥体三胞胎需要同时使用））

QWaitCondition 提供了另外一种改进的线程同步方法，QWaitCondition 与QMutex 结合，可以使一个线程在满足一定条件时通知其他多个线程，使它们及时作出响应，这样比只使用互斥量效率要高一些。例如，threadDAQ 在写满一个缓冲区之后，及时通知 threadShow 和threadSaveFile,使它们可以及时读取缓冲区数据。

QWaitCondition 提供如下一些函数:

  • wait(QMutex *lockedMutex)，解锁互斥量 lockedMutex，并阻塞等待唤醒条件，被唤醒后锁定lockedMutex 并退出函数;
  • wakeAll()，唤醒所有处于等待状态的线程，线程唤醒的顺序不确定，由操作系统的调度策略决定:
  • wakeOne()，唤醒一个处于等待状态的线程，唤醒哪个线程不确定，由操作系统的调度策略决定。

QWaitCondition 一般用于“生产者/消费者”(producer/consumer)模型中。“生产者”产生数据，“消费者”使用数据，前述的数据采集、显示与存储的三线程例子就适用这种模型。

文章目录

  • 1. 实例分析
  • 2. 源码
    • 2.1 dialog.h
    • 2.2 dialog.cpp
    • 2.3 qmythread.h
    • 2.4 qmythread.cpp

1. 实例分析

创建实例程序 samp13_4，将掷骰子的程序修改为 producer/consumer 模型，一个线程类QThreadProducer 专门负责掷骰子产生点数:一个线程类QThreadConsumer 专门及时读取数据，并送给主线程进行显示。这两个类定义在一个文件 qmythread.h 里，定义代码如下:

#ifndef QMYTHREAD_H
#define QMYTHREAD_H

//#include    <QObject>
#include    <QThread>

class QThreadProducer : public QThread
{
    Q_OBJECT
private:
    bool    m_stop=false; //停止线程
protected:
    void    run() Q_DECL_OVERRIDE;
public:
    QThreadProducer();
    void    stopThread();
};


class QThreadConsumer : public QThread
{
    Q_OBJECT
private:
    bool    m_stop=false; //停止线程
protected:
    void    run() Q_DECL_OVERRIDE;
public:
    QThreadConsumer();
    void    stopThread();
signals:
    void    newValue(int seq,int diceValue);
};
#endif // QMYTHREAD_H

QThreadProducer用于掷骰子，但是去掉了开始和暂停的功能，线程一启动就连续地掷骰子。QThreadConsumer用于读取掷骰子的次数和点数，并用发射信号方式把数据传递出去。这两个类的实现代码在一个文件qmythread.cpp里，下面是这两个类的实现代码的主要部分：

QMutex  mutex;
QWaitCondition  newdataAvailable;

int     seq=0;//序号
int     diceValue;

void QThreadProducer::run()
{
    m_stop=false;//启动线程时令m_stop=false
    seq=0;
    qsrand(QTime::currentTime().msec());//随机数初始化，qsrand是线程安全的

    while(!m_stop)//循环主体
    {
        mutex.lock();
        diceValue=qrand(); //获取随机数
        diceValue=(diceValue % 6)+1;
        seq++;
        mutex.unlock();

        newdataAvailable.wakeAll();//唤醒所有线程，有新数据了
        msleep(500); //线程休眠100ms
    }
}

void QThreadConsumer::run()
{
    m_stop=false;//启动线程时令m_stop=false
    while(!m_stop)//循环主体
    {
        mutex.lock();
        newdataAvailable.wait(&mutex);//会先解锁mutex，使其他线程可以使用mutex
        emit    newValue(seq,diceValue);
        mutex.unlock();
//        msleep(100); //线程休眠100ms
    }

}

掷骰子的次数和点数的变量定义为共享变量，这样两个线程都可以访问。定义了互斥量mutex，定义了QWaitCondition实例newdataAvailable，表示有新数据可用了。

QThreadProducer.:run()函数负责每隔 500 毫秒掷骰子产生一次数据，新数据产生后通过等待条件唤醒所有等待的线程，即:

newdataAvailable.wakeAll();//唤醒所有线程，有新数据了

QThreadConsumer::run()函数中的while循环，首先需要将互斥量锁定，再执行下面的一条语句：

newdataAvailable.wait(&mutex);//会先解锁mutex，使其他线程可以使用mutex

这条语句以 mutex 作为输入参数，内部会首先解锁 mutex，使其他线程可以使用 mutex，newdataAvailable 进入等待状态。当 QThreadProducer 产生新数据使用 newdataAvailable.wakeAll()唤醒所有线程后，newdataAvailablewait(&mutex)会再次锁定 mutex，然后退出阻塞状态，以执行后面的语句。

所以，使用 QWaitCondition 可以使 QThreadConsumer 线程的执行过程进入等待状态。在QThreadProducer 线程满足条件后，唤醒QThreadConsumer 线程及时退出等待状态，继续执行后面的程序。

使用QThreadProducer和QThreadConsumer 实现掷骰子的实例程序samp13_4运行时界面如图13-2 所示，与实例 samp13_1 的运行界面类似，只是取消了开始和暂停掷假子的按钮，下方的状态标签显示了两个线程的状态。
在这里插入图片描述
窗口的 Dialog 类的定义如下(省略了按钮槽函数等一些不重要的部分):

#ifndef DIALOG_H
#define DIALOG_H

#include    <QDialog>
#include    <QTimer>

#include    "qmythread.h"

namespace Ui {
class Dialog;
}

class Dialog : public QDialog
{
    Q_OBJECT

private:
    QThreadProducer   threadProducer;
    QThreadConsumer   threadConsumer;
protected:
    void    closeEvent(QCloseEvent *event);
public:
    explicit Dialog(QWidget *parent = 0);
    ~Dialog();

private slots:
    void    onthreadA_started();
    void    onthreadA_finished();

    void    onthreadB_started();
    void    onthreadB_finished();

    void    onthreadB_newValue(int seq, int diceValue);

...

private:
    Ui::Dialog *ui;
};

#endif // DIALOG_H

这里主要是定义了两个线程的实例，并定义了几个自定义槽函数。采用信号与槽的方式与threadConsumer建立通信并获取数据。Dialog 的构造函数主要完成信号与槽函数的关联，5 个自定义槽函数的代码与实例 samp13_1 的相同或相似，这几个函数的代码不再详细列出。

"启动线程"按钮的代码如下：

void Dialog::on_btnStartThread_clicked()
{//启动线程
    threadConsumer.start();
    threadProducer.start();

    ui->btnStartThread->setEnabled(false);
    ui->btnStopThread->setEnabled(true);
}

两个线程启动的先后顺序不应调换，应先启动 threadConsumer，使其先进入 wait 状态，后启动 threadProducer，这样在threadProducer 里 wakeAll()时 threadConsumer 就可以及时响应，否则会丢失一次掷骰子的数据。

“结束线程”按钮的代码如下：

void Dialog::on_btnStopThread_clicked()
{//结束线程
    threadProducer.stopThread();//结束线程的run()函数执行
    threadProducer.wait();//

//    threadConsumer.stopThread();//结束线程的run()函数执行
    threadConsumer.terminate(); //因为threadB可能处于等待状态，所以用terminate强制结束
    threadConsumer.wait();//

    ui->btnStartThread->setEnabled(true);
    ui->btnStopThread->setEnabled(false);
}

结束线程时，若按照上面的顺序先结束 threadProducer 线程，则必须使用terminate()来强制结束threadConsumer 线程，因为 threadConsumer 可能还处于条件等待的阻塞状态中，将无法正常结束线程。

2. 源码

2.1 dialog.h

#ifndef DIALOG_H
#define DIALOG_H

#include    <QDialog>
#include    <QTimer>

#include    "qmythread.h"

namespace Ui {
class Dialog;
}

class Dialog : public QDialog
{
    Q_OBJECT

private:
    QThreadProducer   threadProducer;
    QThreadConsumer   threadConsumer;
protected:
    void    closeEvent(QCloseEvent *event);
public:
    explicit Dialog(QWidget *parent = 0);
    ~Dialog();

private slots:
    void    onthreadA_started();
    void    onthreadA_finished();

    void    onthreadB_started();
    void    onthreadB_finished();

    void    onthreadB_newValue(int seq, int diceValue);

    void on_btnClear_clicked();

    void on_btnStopThread_clicked();

    void on_btnStartThread_clicked();

private:
    Ui::Dialog *ui;
};

#endif // DIALOG_H

2.2 dialog.cpp

#include "dialog.h"
#include "ui_dialog.h"

void Dialog::closeEvent(QCloseEvent *event)
{//关闭窗口
    if (threadProducer.isRunning())
    {
        threadProducer.stopThread();
        threadProducer.wait();
    }

    if (threadConsumer.isRunning())
    {
        threadConsumer.terminate(); //因为threadB可能处于等待状态，所以用terminate强制结束
        threadConsumer.wait();//
    }
    event->accept();
}

Dialog::Dialog(QWidget *parent) :  QDialog(parent),    ui(new Ui::Dialog)
{
    ui->setupUi(this);

    connect(&threadProducer,SIGNAL(started()),this,SLOT(onthreadA_started()));
    connect(&threadProducer,SIGNAL(finished()),this,SLOT(onthreadA_finished()));

    connect(&threadConsumer,SIGNAL(started()),this,SLOT(onthreadB_started()));
    connect(&threadConsumer,SIGNAL(finished()),this,SLOT(onthreadB_finished()));

    connect(&threadConsumer,SIGNAL(newValue(int,int)),this,SLOT(onthreadB_newValue(int,int)));
}

Dialog::~Dialog()
{
    delete ui;
}

void Dialog::onthreadA_started()
{
    ui->LabA->setText("Thread Producer状态: started");
}

void Dialog::onthreadA_finished()
{
    ui->LabA->setText("Thread Producer状态: finished");
}

void Dialog::onthreadB_started()
{
    ui->LabB->setText("Thread Consumer状态: started");
}

void Dialog::onthreadB_finished()
{
    ui->LabB->setText("Thread Consumer状态: finished");
}

void Dialog::onthreadB_newValue(int seq,int diceValue)
{
    QString  str=QString::asprintf("第 %d 次掷骰子，点数为：%d",
                                   seq,diceValue);
    ui->plainTextEdit->appendPlainText(str);

    QPixmap pic;
    QString filename=QString::asprintf(":/dice/images/d%d.jpg",diceValue);
    pic.load(filename);
    ui->LabPic->setPixmap(pic);
}


void Dialog::on_btnClear_clicked()
{
    ui->plainTextEdit->clear();
}

void Dialog::on_btnStopThread_clicked()
{//结束线程
    threadProducer.stopThread();//结束线程的run()函数执行
    threadProducer.wait();//

//    threadConsumer.stopThread();//结束线程的run()函数执行
    threadConsumer.terminate(); //因为threadB可能处于等待状态，所以用terminate强制结束
    threadConsumer.wait();//

    ui->btnStartThread->setEnabled(true);
    ui->btnStopThread->setEnabled(false);
}

void Dialog::on_btnStartThread_clicked()
{//启动线程
    threadConsumer.start();
    threadProducer.start();

    ui->btnStartThread->setEnabled(false);
    ui->btnStopThread->setEnabled(true);
}

2.3 qmythread.h

#ifndef QMYTHREAD_H
#define QMYTHREAD_H

//#include    <QObject>
#include    <QThread>

class QThreadProducer : public QThread
{
    Q_OBJECT
private:
    bool    m_stop=false; //停止线程
protected:
    void    run() Q_DECL_OVERRIDE;
public:
    QThreadProducer();
    void    stopThread();
};


class QThreadConsumer : public QThread
{
    Q_OBJECT
private:
    bool    m_stop=false; //停止线程
protected:
    void    run() Q_DECL_OVERRIDE;
public:
    QThreadConsumer();
    void    stopThread();
signals:
    void    newValue(int seq,int diceValue);
};
#endif // QMYTHREAD_H

2.4 qmythread.cpp

#include    "qmythread.h"
#include    <QWaitCondition>
#include    <QTime>
#include    <QMutex>


QMutex  mutex;
QWaitCondition  newdataAvailable;

int     seq=0;//序号
int     diceValue;

QThreadProducer::QThreadProducer()
{

}

void QThreadProducer::stopThread()
{
    QMutexLocker  locker(&mutex);
    m_stop=true;
}

void QThreadProducer::run()
{
    m_stop=false;//启动线程时令m_stop=false
    seq=0;
    qsrand(QTime::currentTime().msec());//随机数初始化，qsrand是线程安全的

    while(!m_stop)//循环主体
    {
        mutex.lock();
        diceValue=qrand(); //获取随机数
        diceValue=(diceValue % 6)+1;
        seq++;
        mutex.unlock();

        newdataAvailable.wakeAll();//唤醒所有线程，有新数据了
        msleep(500); //线程休眠100ms
    }
}


void QThreadConsumer::run()
{
    m_stop=false;//启动线程时令m_stop=false
    while(!m_stop)//循环主体
    {
        mutex.lock();
        newdataAvailable.wait(&mutex);//会先解锁mutex，使其他线程可以使用mutex
        emit    newValue(seq,diceValue);
        mutex.unlock();
//        msleep(100); //线程休眠100ms
    }

}

QThreadConsumer::QThreadConsumer()
{

}

void QThreadConsumer::stopThread()
{
    QMutexLocker  locker(&mutex);
    m_stop=true;
}

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