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Linux Qt使用POSIX多线程条件变量、互斥锁(量)

今天团建,但是文章也要写。酒要喝好,文要写美,方为我辈程序员的全才之路。嘎嘎

之前一直在看POSIX的多线程编程,上个周末结合自己的理解,写了一个基于Qt的用条件变量同步线程的例子。故此来和大家一起分享,希望和大家一起交流。

提到线程,如果在UI编程中,总会和一些耗时操作联系在一起。Qt中处理耗时操作通常有两种方式,一种是将耗时操作放在线程中;另一种则是使用QApplication::processEvents(),防止阻塞UI。从更加通用的角度来讲,我是更倾向于线程的,但对于很多初学者来讲,线程还是有一定难度的。比如说需要对线程间共享的数据提供保护,使用互斥量同步、使用条件变量、使用读写锁同步等;各种同步方式用在什么情况下,开始编程时多线程使用的并不多,无法切身体会到这些问题,后来程序写的多了一点儿,慢慢接触到一些多线程的东西,并且自己也可以学习了相关知识,并用到实际程序中。好了,下面以一个实际的例子为背景,来说明Linux POSIX多线程的一些特性。

程序环境:ubuntu 14.04、 Qt 5.5.1、 Posix多线程(C的用法)

这里简单说下我为什么用Linux C的多线程,因为Qt的多线程编程对于一些线程的终止时含糊不清楚的,并且一个线程被终止后的资源是无法被清理的,所以我选择是相对底层的一些用法,以后有机会我还会添加线程取消和线程退出的操作。

我自己设定的场景是这样的,在UI主线程中通过界面手动向一个线程间共享的队列中push数据,而另外开启的一个线程则一直在while中pop数据,这算是一个变种的生产者和消费者模式吧。

至于条件变量、互斥量(也就是互斥锁)的初始化在这里不再详细说明,只说明一些相对重要的地方。

1. UI中向队列push数据(生产者生产数)

这是一个槽函数,当在lineEdit中回车后,则会触发该槽函数,由于该队列是线程间的共享数据,所以使用了互斥锁进行保护,即该槽操作数据的过程中如果有其他线程想要操作数据,则其他线程则会被阻塞,即访问一个已经被加锁的互斥量的线程会被阻塞。

void Widget::on_le_writeNum_returnPressed()
{
    int status;

    status = pthread_mutex_lock (&mp_processThread->m_structCondition.mutex);
    if (status != 0)
        err_abort (status, "Lock mutex");

    QString num = ui->le_writeNum->text();
    mp_processThread->queuePushData(num.toInt());

    status = pthread_cond_signal (&mp_processThread->m_structCondition.cond);
//    status = pthread_cond_broadcast( &mp_processThread->m_structCondition.cond);
    if (status != 0)
        err_abort (status, "Signal condition");

    status = pthread_mutex_unlock (&mp_processThread->m_structCondition.mutex);
    if (status != 0)
        err_abort (status, "Unlock mutex");
}

2. 消费者线程pop数据

该线程使用的是Qt的moveToThread方法创建的线程,这里注意的是,整个类都运行在新的线程中。该槽函数随着线程的启动信号(start())发射后而一直进行while循环。首先对互斥量上锁,之后判断谓词状态,如果队列为空,则等待条件变量。等待条件变量时pthread_cond_wait()会自动释放互斥锁,这样其他线程才能够操作共享数据。从条件变量等待中醒来后,会再次获得互斥锁,以操作共享数据。共享数据被操作完成后,再次释放互斥锁。这是我们使用条件变量等待的一个操作流程,如果我们不使用条件变量等待会是怎样的呢?

void ProcessThread::slot_processData()
{
    int status;

    while(!mb_stopThread)
    {
        status = pthread_mutex_lock (&m_structCondition.mutex);
        if (status != 0)
            err_abort (status, "Lock mutex");

        while(m_queue.empty())   //if queue is empty, wait contion
        {
//使用条件变量等待
            status = pthread_cond_wait(&m_structCondition.cond,
                                       &m_structCondition.mutex); 
//            qDebug() << "pthread_cond_wait is block func!";

            if (status != 0)
            {
                err_abort (status, "Wait on cond faild");
            }
        }

        while(!m_queue.empty())
        {
            qDebug() << "queue mem is" << m_queue.back();

            m_queue.pop();
        }

        status = pthread_mutex_unlock (&m_structCondition.mutex);
        if (status != 0)
            err_abort (status, "Unlock mutex");

    }

}

3. 不使用条件变量等待

①不使用条件变量等待

如果不使用条件变量等待,则消费者线程在很大一部时间内几乎都是在执行while(1)无限循环,这是很占用CPU资源的,在ubuntu下,使用htop查看的效果如下:

屏蔽status = pthread_cond_wait(&m_structCondition.cond,

&m_structCondition.mutex);

我们看到,此时CPU是满负荷在运行的,这当然不是一个程序所应有的正常状态。

②使用条件变量的结果

此时我们看到CPU的占用率是很低的,这也是为什么使用条件变量的原因之一,让不满足的条件的线程挂起,而不是在浪费CPU资源。条件变量是 允许使用队列的线程之间交换队列状态信息的机制。那么当我们还没有掌握线程条件变量的用法时,又遇到这种情况时,该怎么做呢?简单,加个5ms的延时即可,5ms对我们来讲时间极短极短,但对计算机来讲,已经挺长时间了。

最后,当我们关掉UI窗口时,会有这样一句消息:

QThread: Destroyed while thread is still running

线程正在运行时就被破坏了,这个我们接下来会说,那就是如何退出线程、终止线程以及取消线程等操作了。

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本文分享自微信公众号 - Pou光明(pou0230),作者:PouG

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原始发表时间:2019-07-30

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