Qt探索之路——多线程实现方法

 
通常情况下，应用程序都是在一个线程中执行操作。但是，当调用一个耗时操作（例如，大批量I/O或大量矩阵变换等CPU密集操作）时，用户界面常常会冻结。而使用
多线程可解决这一问题。
多线程具有以下几点优势。
（1）提高应用程序的响应速度。这对于开发图形界面的程序尤为重要，当一个操作耗时很长时，整个系统都会等待这个操作，程序就不能响应键盘、鼠标、菜单等的操
作，而是使用了多线程技术可将耗时长的操作置于一个新的线程，从而避免以上的问题。
（2）使多CPU系统更加有效。当线程数不大于CPU数目时，操作系统可以调度不同的线程运行于不同的CPU上。
（3）改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为独立或半独立的运行部分，这样有利于代码的理解和维护。
多线程程序有以下几个特点。
（1）多线程程序的行为无法预期，当多次执行上述程序时，每一次的运行结构都可能不同。
（2）多线程的执行顺序无法保证，它与操作系统的调度策略和线程优先级等因素有关。
（3）多线程的切换可能发生在任何时刻、任何地点。
（4）多线程对代码的敏感度高，因此对代码的细微修改都可能产生意想不到的结果。
基于以上这些特点，为了有效地使用线程，开发人员必须对其进行控制。
12.1 多线程及简单实例
点击“开始”按钮将启动数个工作线程（工作线程数目由MAXSIZE宏决定），各个线程循环打印数字0-9.直到按下“停止”按钮终止所有线程为止。
运行效果：
 
threaddlg.h
 
#ifndef THREADDLG_H

#define THREADDLG_H


#include <QDialog>


#include <QPushButton>


#include "workthread.h"




#define MAXSIZE 5




class ThreadDlg : public QDialog


{


    Q_OBJECT




public:


    ThreadDlg(QWidget *parent = 0);


    ~ThreadDlg();


private:


    QPushButton *startBtn;


    QPushButton *stopBtn;


    QPushButton *exitBtn;


public slots:


    void slotstart();                   //启动线程槽函数


    void slotstop();                    //终止线程槽函数


private:


    WorkThread *workThread[MAXSIZE];    //指向工作线程的私有指针数组，记录了所启动的全部线程


};




#endif // THREADDLG_H




 


threaddlg.cpp


 




#include "threaddlg.h"


#include <QHBoxLayout>




ThreadDlg::ThreadDlg(QWidget *parent)


    : QDialog(parent)


{


    setWindowTitle(tr("线程"));


    startBtn = new QPushButton(tr("开始"));


    stopBtn = new QPushButton(tr("停止"));


    exitBtn = new QPushButton(tr("退出"));




    QHBoxLayout *mainLayout = new QHBoxLayout(this);


    mainLayout->addWidget (startBtn);


    mainLayout->addWidget (stopBtn);


    mainLayout->addWidget (exitBtn);




    startBtn->setEnabled (true);


    stopBtn->setEnabled (true);




    connect (startBtn, SIGNAL(clicked(bool)), this, SLOT(slotstart()));


    connect (stopBtn, SIGNAL(clicked(bool)), this, SLOT(slotstop()));


    connect (exitBtn, SIGNAL(clicked(bool)), this, SLOT(close()));


}




ThreadDlg::~ThreadDlg()


{




}


/*


 * 这里使用两个循环，目的是为了使新建的线程尽可能开始执行


*/


void ThreadDlg::slotstart ()


{


    for(int i = 0; i < MAXSIZE; i++)


    {


        workThread[i] = new WorkThread();


    }


    for(int i = 0; i < MAXSIZE; i++)


    {


        workThread[i]->start ();


    }


    startBtn->setEnabled (false);


    stopBtn->setEnabled (true);


}


/*


 * workThread[i]->terminate ()、 workThread[i]->wait ()：调用QThread基类的terminate()函数，依次终止保存在


 * workThread[]数组中的WorkThread类实例。但是terminate()函数并不会立刻终止这个线程，该线程何时终止取决于操作系统的


 * 调度策略。因此，程序紧挨着调用了QThread基类的wait()函数，它使得线程阻塞等待直到退出或超时。


*/


void ThreadDlg::slotstop ()


{


   if(!startBtn->isEnabled())


   {


       for(int i = 0; i < MAXSIZE; i++)


       {


            workThread[i]->terminate ();


            workThread[i]->wait ();


       }


       startBtn->setEnabled (true);


       stopBtn->setEnabled (false);


   }


}




 


workthread.h


 




#ifndef WORKTHREAD_H



#define WORKTHREAD_H




#include <QThread>




class WorkThread : public QThread


{


public:


    WorkThread();


protected:


    void run();


};




#endif // WORKTHREAD_H




 


workthread.cpp


 




#include "workthread.h"


#include <QDebug>




WorkThread::WorkThread()


{




}




void WorkThread::run ()


{


    while(true)


    {


        for(int i = 0; i < 10; i++)


        {


            qDebug() << i << i << i << i << i << i << i << i << i << i;


        }


    }


}




12.2 多线程控制


本节介绍Qt线程同步互斥控制的基本方法。线程之间存在着互相制约的关系，具体可分为互斥和同步这两种关系。


实现线程的互斥与同步常使用的类有QMutex、QMutexLocker、QReadWriteLocker、QReadLocker、QWriteLocker、QSemaphore和QWaitCondition。


class Key


{


public:


    Key() {key=0;}


    int creatKey() { mutex.lock();  ++key;  return key;  mutex.unlock();}


    int value()const { mutex.lock();  return key;  mutex.unlock();}


private:


    int key;


    QMutex mutex;


};


这是实现生成从0开始递增并且不允许重复的值得Key类。


在多线程环境下，这个类是不安全的，因为存在多个线程同时修改私有成员key，其结果是不可预知的。


虽然累Key产生主键的函数creatKey()只有一条语句指向修改成员变量key的值，但是C++和“++"操作符并不是原子操作，通常编译后它将被展开成为一下三条机器命令：


将变量值载入寄存器


将寄存器中的值加1


将寄存器中的值写会回主存。


假设当前的key值为0，如果线程1和线程2同时将0值载入寄存器，执行加1操作并将加1后的值写回主存，则结果是两个线程的执行结果将互相覆盖，实际上仅进行了一


次加1操作，此时的key值为1。


为了保证类key在多线程环境下正确执行，上面的三条机器指令必须串行执行且不允许中途被打断（原子操作），即线程1在线程2（或线程2在线程1）之间完整执行上述


三条机器指令。


实际上，私有变量key是一个临近资源（Critical Resource, CR）。临界资源一次仅允许被一个线程使用，它可以是一块内存、一个数据结构、一个文件或者任何其他具有


排他性使用的东西。在程序中，通常竞争使用临界资源。这些必须互斥执行的代码段称为“临界区（Critical Section，CS）”。临界区（代码段）实施对临界资源的操作，


为了阻止问题的产生，一次只能有一个线程进入临界区。通常有关的机制或方法在程序中加上“进入”或“离开”临界区等操作。如果一个线程已经进入某个临界区，则另一


个线程就绝不允许在此刻再进入同一个临界区。


12.2.1 互斥量


1、QMutex类


QMutex类是对互斥量的处理。它被用来保护一段临界区代码，即每次只允许一个线程访问这段代码。


QMutex类的lock()函数用于锁住互斥量。如果互斥量处于解锁状态，则当前线程就会立即抓住并锁定它，否则当前线程就会被阻塞，直到持有这个互斥量的线程对它解


锁。线程调用lock()函数后就会持有这个互斥量，直到调用unlock()操作为止。


QMutex类提供了一个tryLock()函数。如果互斥量已被锁定，则立即返回。


class Key


{


public:


    Key() {key=0;}


    int creatKey() { QMutexLocker.locker(&mutex);  ++key;  return key; }


    int value()const { QMutexLocker.locker(&mutex);  return key; }


private:


    int key;


    QMutex mutex;


};


运行界面




 




#include <QCoreApplication>


#include <QSemaphore>


#include <QThread>


#include <stdio.h>




const int DataSize = 1000;


const int BufferSize = 80;


/*


 * 首先生产者向buffer中写入数据，直到它到达终点，然后从起点重新开始覆盖已经存在的数据。消费者读取前者生产的数据，在此处每一个


 * int字长都被看成一个资源，实际应用中常会在更大的单位上进行操作，从而减少使用信号量重带来的开销。


*/


int buffer[BufferSize];


/*


 * freeBytes信号量控制可被生产者填充的缓冲区部分，被初始化为BufferSize(80)，表示程序一开始有BufferSize个缓冲区单元可


 * 被填充。


*/


QSemaphore freeBytes(BufferSize);


/*


 * usedBytes信号量控制可被消费者读取的缓冲区部分，被初始化为0，表示程序一开始时缓冲区没有数据可供读取。


*/


QSemaphore usedBytes(0);




class Producer : public QThread


{


public:


    Producer();


    void run();


};




Producer::Producer()


{




}




/*


 * freeBytes.acquire ():生产者线程首先获取一个空闲单元，如果此时缓冲区被消费者尚未读取的数据填满，对此函数的调用就会阻塞


 * 直到消费者读取了这些数据为止。acquire(n)函数用于获取n个资源，当没有足够的资源时，调用则将被阻塞，直到有足够的可用资源为止


 * 除此之外，QSemaphore类还提供了一个tryAcquire(n)函数，在没有足够的资源时，该函数会立即返回。


 *


*/


void Producer::run ()


{


    for(int i = 0; i < DataSize; i++)


    {


        freeBytes.acquire ();


        buffer[i % BufferSize] = (i % BufferSize);


        usedBytes.release ();


    }


}




class Consumer : public QThread


{


public:


    Consumer();


    void run();


};




Consumer::Consumer()


{




}


/*


 * usedBytes.acquire ():消费者线程首先获取一个可被读取的单元，如果缓冲区中没有包含任何可以读取的数据，对此函数的调用就会


 * 阻碍，直到生产了一些数据为止。


 * freeBytes.release ():调用该函数使得这个单元变为空闲，以备生产者下次填充


*/


void Consumer::run ()


{


    for(int i = 0; i < DataSize; i++)


    {


        usedBytes.acquire ();


        fprintf (stderr, "%d", buffer[i % BufferSize]);


        if(i % 16 == 0 && i != 0)


        {


            fprintf (stderr, "\n");


        }


        freeBytes.release ();


    }


    fprintf (stderr, "\n");


}




int main(int argc, char *argv[])


{


    QCoreApplication a(argc, argv);




    Producer p;


    Consumer c;


    /*启动生产者消费者线程*/


    p.start ();


    c.start ();


    


    /*等待生产者和消费者各自执行完毕后自动退出*/


    p.wait ();


    c.wait ();




    return a.exec();


}




 


12.2.3 线程等待与唤醒


对生产者和消费者问题的另一个解决办法是使用QWaitCondition类，允许线程在一定条件下唤醒其他线程。




#include <QCoreApplication>


#include <stdio.h>


#include <QThread>


#include <QWaitCondition>


#include <QMutex>




const int DataSize = 1000;


const int BufferSize = 80;


int buffer[BufferSize];




QWaitCondition bufferEmpty;


QWaitCondition bufferFull;




QMutex mutex;


int numUseBytes = 0;


int rIndex = 0;




class Producer : public QThread


{


public:


    Producer();


    void run();


};




Producer::Producer()


{




}


/*


 * for(int i = 0; i < DataSize; i++){mutex.lock (); ... mutex.unlock ();}


 * for循环中所有语句都需要使用互斥量加以保护，以保证其操作的原子性


 * if(numUseBytes == BufferSize: 首先检查缓冲区是否已经填满


 * bufferEmpty.wait (&mutex):如果缓冲区已经填满，则等待“缓冲区有空位”条件成立。wait()函数将互斥量解锁并在此等待


 * buffer[i % BufferSize] = numUseBytes:如果缓冲区未填满，则向缓冲区中写入一个整数值


 * bufferFull.wakeAll ():最后唤醒等待"缓冲区有可用数据"(bufferEmpty变量)条件为“真”的线程


 * wakeOne()函数在条件满足时随机唤醒一个等待线程，而wakeAll()函数则在条件满足时唤醒所有等待线程。


*/


void Producer::run ()


{


    for(int i = 0; i < DataSize; i++)


    {


        mutex.lock ();


        if(numUseBytes == BufferSize)


        {


            bufferEmpty.wait (&mutex);


        }


        buffer[i % BufferSize] = numUseBytes;


        ++numUseBytes;


        bufferFull.wakeAll ();


        mutex.unlock ();


    }


}




class Consumer : public QThread


{


public:


    Consumer();


    void run();


};




Consumer::Consumer()


{




}


/*


 * bufferFull.wait (&mutex):当缓冲区无数据时，等待“缓冲区有可用数据”条件成立


 * bufferEmpty.wakeAll ():唤醒等待“缓冲区有空位”条件的生产者线程


*/


void Consumer::run()


{


    forever


    {


        mutex.lock ();




        if(numUseBytes == 0)


        {


            bufferFull.wait (&mutex);


        }


        printf ("%ul::[%d] = %d\n", currentThreadId (), rIndex, buffer[rIndex]);




        rIndex = (++rIndex) % BufferSize;


        --numUseBytes;


        bufferEmpty.wakeAll ();


        mutex.unlock ();


    }


    printf ("\n");


}




int main(int argc, char *argv[])


{


    QCoreApplication a(argc, argv);




    Producer P;


    Consumer CA;


    Consumer CB;




    P.start ();


    CA.start ();


    CB.start ();




    P.wait ();


    CA.wait ();


    CB.wait ();




    return a.exec();


}




12.3多线程应用


本节中通过实现一个多线程的网络时间服务器，介绍如何综合运用多线程技术编程。每当客户请求到达时，服务器将启动一个新线程为它返回当前的时间，服务完毕


后这个线程将自动退出。同时，用户界面会显示当前已接收请求的次数。


12.3.1夫服务器编程




dialog.h


 




#ifndef DIALOG_H



#define DIALOG_H




#include <QDialog>


#include <QLabel>


#include <QPushButton>




class TimeServer;


class Dialog : public QDialog


{


    Q_OBJECT




public:


    Dialog(QWidget *parent = 0);


    ~Dialog();


public slots:


    void slotShow();


private:


    QLabel *label1;


    QLabel *label2;


    QPushButton *quitBtn;


    TimeServer *timeServer;


    int count;




};




#endif // DIALOG_H




 


dialog.cpp


 




#include "dialog.h"


#include <QGridLayout>


#include <QMessageBox>


#include "timeserver.h"




Dialog::Dialog(QWidget *parent)


    : QDialog(parent)


{


    setWindowTitle (tr("多线程时间服务器"));


    label1 = new QLabel(tr("服务器端口:"));


    label2 = new QLabel;


    quitBtn = new QPushButton(tr("退出"));




    QHBoxLayout *HBoxLayout = new QHBoxLayout;


    HBoxLayout->addStretch (1);


    HBoxLayout->addWidget (quitBtn);


    HBoxLayout->addStretch (1);




    QVBoxLayout *mainLayout = new QVBoxLayout(this);


    mainLayout->addWidget (label1);


    mainLayout->addWidget (label2);


    mainLayout->addLayout (HBoxLayout);


    connect (quitBtn, SIGNAL(clicked(bool)), this, SLOT(close()));




    count = 0;


    timeServer = new TimeServer(this);


    if(!timeServer->listen())


    {


        QMessageBox::critical(this,tr("多线程时间服务器"),


        tr("无法启动服务器：%1.").arg(timeServer->errorString()));


        close();


        return;


    }


    label1->setText(tr("服务器端口：%1.").arg(timeServer->serverPort()));




}




Dialog::~Dialog()


{




}




void Dialog::slotShow ()


{


    label2->setText (tr("服务器端口：%1.").arg(++count));




}


 


timeserver.h


 




#ifndef TIMERSERVER_H



#define TIMERSERVER_H




#include <QTcpServer>




class Dialog;               //服务器端口声明




class TimeServer : public QTcpServer


{


    Q_OBJECT




public:


    TimeServer(QObject *parent = 0);


protected:


    void incomingConnection (int socketDescriptor);


private:


    Dialog *dlg;


};




#endif // TIMERSERVER_H




 


timeserver.cpp


 




#include "timeserver.h"


#include "timethread.h"


#include "dialog.h"




/*


 * Dialog *dlg:用于记录创建这个TCP服务器端对象的父类，这里是界面指针，通过这个指针将线程发出的消息关联到界面的槽函数中


*/


TimeServer::TimeServer(QObject *parent)


    :QTcpServer(parent)


{


    dlg = (Dialog *)parent;


}


/*


 * 重写此数函数。这个函数在TCP服务器端有新的连接时被调用，其参数为所接收新连接的套接字描述符。


 *


*/


void TimeServer::incomingConnection (int socketDescriptor)


{


    TimeThread *thread = new TimeThread(socketDescriptor, 0);


    connect (thread, SIGNAL(finished()), dlg, SLOT(slotShow()));


    connect (thread, SIGNAL(finished()), thread, SLOT(deleteLater()), Qt::DirectConnection);


    thread->start ();


}






timethread.h


 




#ifndef TIMETHREAD_H



#define TIMETHREAD_H




#include <QThread>


#include <QtNetwork>


#include <QTcpSocket>




class TimeThread : public QThread


{


    Q_OBJECT


public:


    TimeThread(int socketDescriptor,QObject *parent=0);


    void run();


signals:


    void error(QTcpSocket::SocketError socketError);


private:


    int socketDescriptor;


};




#endif // TIMETHREAD_H




 


timethread.cpp


 




#include "timethread.h"


#include <QDateTime>


#include <QByteArray>


#include <QDataStream>




TimeThread::TimeThread(int socketDescriptor, QObject *parent)


    :QThread(parent), socketDescriptor(socketDescriptor)


{




}


/*


 * TimeThread::run ()函数是工作线程(TimeThread)的实质所在，当在TimeServer::incomingConnection()函数中调用了


 * thread->start()函数后，次数函数开始执行


*/


void TimeThread::run ()


{


    QTcpSocket tcpSocket;   //创建一个QTcpSocket类


    /*将以上创建的QTcpSocket类置以从构造函数中传入的套接字描述符，用于向客服端传回服务器端的当前时间*/


    if(!tcpSocket.setSocketDescriptor (socketDescriptor))


    {


        emit error (tcpSocket.error ());


        return;


    }




    QByteArray block;


    QDataStream out(&block, QIODevice::WriteOnly);


    out.setVersion (QDataStream::Qt_4_3);


    uint time2u = QDateTime::currentDateTime ().toTime_t ();


    out << time2u;


    tcpSocket.write (block);            //将获得当前时间传回客户端


    tcpSocket.disconnectFromHost ();    //端口连接


    tcpSocket.waitForDisconnected ();   //等待返回


}






12.3.2 客户端编程


运行界面如下




 


timeclient.h


 




#ifndef TIMECLIENT_H



#define TIMECLIENT_H




#include <QDialog>


#include <QLabel>


#include <QLineEdit>


#include <QPushButton>


#include <QDateTimeEdit>


#include <QTcpSocket>


#include <QAbstractSocket>




class TimeClient : public QDialog


{


    Q_OBJECT




public:


    TimeClient(QWidget *parent = 0);


    ~TimeClient();


public slots:


    void enableGetBtn();


    void getTime();


    void readTime();


    void showError(QAbstractSocket::SocketError socketError);


private:


    QLabel *serverNameLabel;


    QLineEdit *serverNameLineEdit;


    QLabel *portLabel;


    QLineEdit *portLineEdit;


    QDateTimeEdit *dataTimeEdit;


    QLabel *stateLabel;


    QPushButton *getBtn;


    QPushButton *quitBtn;


    uint time2u;


    QTcpSocket *tcpsocket;


};




#endif // TIMECLIENT_H




 


timeclient.cpp


 




#include "timeclient.h"


#include <QGridLayout>


#include <QMessageBox>




TimeClient::TimeClient(QWidget *parent)


    : QDialog(parent)


{


    setWindowTitle (tr("多线程服务客户端"));


    serverNameLabel = new QLabel(tr("服务器名:"));


    serverNameLineEdit = new QLineEdit("Localhost");




    portLabel = new QLabel(tr("端口:"));


    portLineEdit = new QLineEdit;




    QGridLayout *layout = new QGridLayout;


    layout->addWidget (serverNameLabel, 0, 0);


    layout->addWidget (serverNameLineEdit, 0, 1);


    layout->addWidget (portLabel, 1, 0);


    layout->addWidget (portLineEdit, 1, 1);




    dataTimeEdit = new QDateTimeEdit(this);


    QHBoxLayout *layout1 = new QHBoxLayout;


    layout1->addWidget (dataTimeEdit);




    stateLabel = new QLabel(tr("请首先运行时间服务器!"));


    QHBoxLayout *layout2 = new QHBoxLayout;


    layout2->addWidget (stateLabel);




    getBtn = new QPushButton(tr("获得时间"));


    getBtn->setDefault (true);


    getBtn->setEnabled (false);


    quitBtn = new QPushButton(tr("退出"));


    QHBoxLayout *layout3 = new QHBoxLayout;


    layout3->addStretch (1);


    layout3->addWidget (getBtn);


    layout3->addWidget (quitBtn);




    QVBoxLayout *mainLayout = new QVBoxLayout(this);




    mainLayout->addLayout (layout);


    mainLayout->addLayout (layout1);


    mainLayout->addLayout (layout2);


    mainLayout->addLayout (layout3);




    connect (serverNameLineEdit, SIGNAL(textChanged(QString)), this, SLOT(enableGetBtn()));


    connect (portLineEdit, SIGNAL(textChanged(QString)), this, SLOT(enableGetBtn()));


    connect(getBtn, SIGNAL(clicked(bool)), this, SLOT(getTime()));


    connect(quitBtn, SIGNAL(clicked(bool)), this, SLOT(close()));




    tcpsocket = new QTcpSocket(this);


    connect (tcpsocket, SIGNAL(readyRead()), this, SLOT(getTime()));


    connect (tcpsocket, SIGNAL(error(QAbstractSocket::SocketError)), this, SLOT(showError(QAbstractSocket::SocketError)));




    portLineEdit->setFocus ();


}




TimeClient::~TimeClient()


{




}




void TimeClient::enableGetBtn ()


{


    getBtn->setEnabled (!serverNameLineEdit->text ().isEmpty () &&


                        !portLineEdit->text ().isEmpty ());


}




void TimeClient::getTime ()


{


    getBtn->setEnabled (false);


    time2u = 0;


    tcpsocket->abort ();


    tcpsocket->connectToHost (serverNameLineEdit->text (), portLineEdit->text ().toInt ());


}




void TimeClient::readTime ()


{


    QDataStream in(tcpsocket);


    in.setVersion (QDataStream::Qt_4_3);


    if(time2u == 0)


    {


        if(tcpsocket->bytesAvailable () < (int)sizeof(uint))


        {


            return;


        }


        in >> time2u;


    }


    dataTimeEdit->setDateTime (QDateTime::fromTime_t (time2u));


    getBtn->setEnabled (true);


}




void TimeClient::showError (QAbstractSocket::SocketError socketError)


{


    switch(socketError)


    {


    case QAbstractSocket::RemoteHostClosedError:


        break;


    case QAbstractSocket::HostNotFoundError:


        QMessageBox::information (this, tr("时间服务客户端"), tr("主机不可达！"));


        break;


    case QAbstractSocket::ConnectionRefusedError:


        QMessageBox::information (this, tr("时间服务客户端"), tr("连接被拒绝"));


        break;


    default:


        QMessageBox::information (this, tr("时间服务客户端"),


                                  tr("产生如下错误：%1.").arg (tcpsocket->errorString ()));


        break;


    }


    getBtn->setEnabled (true);


}









            

            
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2017-01-06 10:34 
shawn06 
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