Qt多线程编程之线程的同步和互斥
线程同步基础
临界资源：每次只允许一个线程进行访问的资源
线程间互斥：多个线程在同一时刻都需要访问临界资源
线程锁能够保证临界资源的安全性，通常，每个临界资源需要一个线程锁进行保护。
线程死锁：线程间相互等待临界资源而造成彼此无法继续执行。
产生死锁的条件：
A、系统中存在多个临界资源且临界资源不可抢占
B、线程需要多个临界资源才能继续执行
死锁的避免：
A、对使用的每个临界资源都分配一个唯一的序号
B、对每个临界资源对应的线程锁分配相应的序号
C、系统中的每个线程按照严格递增的次序请求临界资源
QMutex, QReadWriteLock, QSemaphore, QWaitCondition 提供了线程同步的手段。使用线程的主要想法是希望它们可以尽可能并发执行，而一些关键点上线程之间需要停止或等待。例如，假如两个线程试图同时访问同一个全局变量，结果可能不如所愿。
互斥量QMutex
QMutex 提供相互排斥的锁，或互斥量。在一个时刻至多一个线程拥有mutex,假如一个线程试图访问已经被锁定的mutex,那么线程将休眠，直到拥有mutex的线程对此mutex解锁。QMutex常用来保护共享数据访问。QMutex类所以成员函数是线程安全的。
头文件声明：#include <QMutex>
互斥量声明：QMutex m_Mutex;
互斥量加锁：m_Mutex.lock();
互斥量解锁：m_Mutex.unlock();
如果对没有加锁的互斥量进行解锁，结果是未知的。
示例场景：
继承QThread类实现多线程
#ifndef MYTHREAD_H
#define MYTHREAD_H
#include <QObject>
#include <QThread>
class MyThread : public QThread
{
Q_OBJECT
public:
MyThread();
protected:
virtual void run();
private:
};
#endif // MYTHREAD_H
#include "mythread.h"
#include <QDebug>
extern int global_Val;
MyThread::MyThread()
{
qDebug()<<"mainThread::currentId:"<<QThread::currentThreadId();
}
void MyThread::run()
{
while (global_Val>0) {
qDebug()<<"threadId:"<< QThread::currentThreadId()<<" global_val:"<<global_Val--;
// QThread::msleep(200);
}
qDebug()<<"Task finish";
}
#include <QCoreApplication>
#include "mythread.h"
int global_Val = 10;
int main(int argc, char *argv[])
{
QCoreApplication a(argc, argv);
MyThread thread1,thread2;
thread1.start();
thread2.start();
return a.exec();
}
定义全局变量，两个线程都可以访问，当两个线程同时访问时，会发生资源的争夺，造成不可预知的
程序运行结果如下
mainThread::currentId: 0x222c
mainThread::currentId: 0x222c
threadId: 0x3df4 global_val: 10
threadId: 0x3df4 global_val: 8
threadId: 0x3df4 global_val: 7
threadId: 0x10b8 global_val: 9
threadId: 0x3df4 global_val: 6
threadId: 0x10b8 global_val: 5
threadId: 0x3df4 global_val: 4
threadId: 0x3df4 global_val: 2
threadId: 0x3df4 global_val: 1
threadId: 0x10b8 global_val: 3
Task finish
Task finish
可以看到数据是乱的，这是没加锁的情况，接下来加上锁
#include "mythread.h"
#include <QDebug>
extern int global_Val;
extern QMutex globlMutex; //锁一定是全局的
MyThread::MyThread()
{
qDebug()<<"mainThread::currentId:"<<QThread::currentThreadId();
}
void MyThread::run()
{
while (global_Val>0) {
globlMutex.lock();
qDebug()<<"threadId:"<< QThread::currentThreadId()<<" global_val:"<<global_Val--;
// QThread::msleep(200);
globlMutex.unlock();
}
qDebug()<<"Task finish";
}
互斥量的加锁和解锁必须在同一线程中成对出现。
运行之后就不会出现资源抢夺造成数据丢失等等问题了
mainThread::currentId: 0x3b28
mainThread::currentId: 0x3b28
threadId: 0x1ae8 global_val: 10
threadId: 0x1024 global_val: 9
threadId: 0x1ae8 global_val: 8
threadId: 0x1024 global_val: 7
threadId: 0x1ae8 global_val: 6
threadId: 0x1024 global_val: 5
threadId: 0x1ae8 global_val: 4
threadId: 0x1024 global_val: 3
threadId: 0x1ae8 global_val: 2
threadId: 0x1024 global_val: 1
Task finish
threadId: 0x1ae8 global_val: 0
Task finish
如果觉得10太小了可以换成100，在未加锁的情况下数据的丢失更为严重
互斥锁QMutexLocker
在较复杂的函数和异常处理中对QMutex类mutex对象进行lock()和unlock()操作将会很复杂，进入点要lock()，在所有跳出点都要unlock()，很容易出现在某些跳出点未调用unlock()，所以Qt引进了QMutex的辅助类QMutexLocker来避免lock()和unlock()操作。在函数需要的地方建立QMutexLocker对象，并把mutex指针传给QMutexLocker对象，此时mutex已经加锁，等到退出函数后，QMutexLocker对象局部变量会自己销毁，此时mutex解锁。
头文件声明： #include<QMutexLocker>
互斥锁声明： QMutexLocker mutexLocker(&m_Mutex);
互斥锁加锁： 从声明处开始（在构造函数中加锁）
互斥锁解锁： 出了作用域自动解锁（在析构函数中解锁）
使用互斥锁进行线程的同步
#include "mythread.h"
#include <QDebug>
extern int global_Val;
extern QMutex globlMutex; //锁一定是全局的
MyThread::MyThread()
{
qDebug()<<"mainThread::currentId:"<<QThread::currentThreadId();
}
void MyThread::run()
{
while (global_Val>0) {
QMutexLocker locker(&globlMutex);
qDebug()<<"threadId:"<< QThread::currentThreadId()<<" global_val:"<<global_Val--;
// QThread::msleep(200);
}
qDebug()<<"Task finish";
}
条件变量QWaitCondition
Qt里面叫等待条件，Linux下叫条件变量，我统一都称呼为条件变量
QWaitCondition 允许线程在某些情况发生时唤醒另外的线程。一个或多个线程可以阻塞等待QWaitCondition ,用wakeOne()或wakeAll()设置一个条件。wakeOne()随机唤醒一个，wakeAll()唤醒所有。
QWaitCondition ()
bool wait ( QMutex * mutex, unsigned long time = ULONG_MAX )
bool wait ( QReadWriteLock * readWriteLock, unsigned long time = ULONG_MAX )
void wakeOne ()
void wakeAll ()
头文件声明： #include <QWaitCondition>
等待条件声明： QWaitCondtion m_WaitCondition;
等待条件等待： m_WaitConditon.wait(&m_muxtex, time);
等待条件唤醒： m_WaitCondition.wakeAll();
在经典的生产者-消费者场合中，生产者首先必须检查缓冲是否已满，如果缓冲区已满，线程停下来等待 notfull条件。如果没有满，在缓冲中生产数据,激活条件 nottempty。使用mutex来保护对buffer的访问。QWaitCondition::wait() 接收一个mutex作为参数，mutex被调用线程初始化为锁定状态。在线程进入休眠状态之前，mutex会被解锁。而当线程被唤醒时，mutex会处于锁定状态,从锁定状态到等待状态的转换是原子操作。当程序开始运行时，只有生产者可以工作，消费者被阻塞等待nottempty条件，一旦生产者在缓冲中放入一个字节，nottempty条件被激发，消费者线程于是被唤醒。
生产者和消费者示例：
#include <QtCore/QCoreApplication>
#include <QThread>
#include <QWaitCondition>
#include <QMutex>
#include <QDebug>
#define BUFFER_SIZE 2
/*生产者*/
class producons
{
public:
int buffer[BUFFER_SIZE]; /*数据*/
QMutex lock; //互斥锁
int readpos,writepos; //读写位置
QWaitCondition nottempty; //条件变量 没有空间
QWaitCondition notfull; //条件变量 没有货物
producons()
{
readpos = writepos = 0;
}
};
producons buffer; //生产者对象
class Producor:public QThread
{
public:
void run();
void put(producons * prod,int data);
};
void Producor::run()
{
int n;
for(n = 0;n<5;n++)
{
qDebug()<<"生产者睡眠 1s...";
sleep(1);
qDebug()<<"生产信息:" << n;
put(&buffer, n);
}
for(n=5; n<10; n++)
{
qDebug()<<"生产者睡眠 3s...";
sleep(3);
qDebug()<<"生产信息："<< n;
put(&buffer,n);
}
put(&buffer, -1);
qDebug()<<"结束生产者!\n";
return;
}
void Producor::put(producons *prod, int data)
{
prod->lock.lock();
//write until buffer not full
while((prod->writepos + 1)%BUFFER_SIZE == prod->readpos)
{
qDebug()<<"生产者等待生产，直到buffer有空位置";
prod->notfull.wait(&prod->lock);
}
//将数据写入到buffer里面去
prod->buffer[prod->writepos] = data;
prod->writepos++;
if(prod->writepos >= BUFFER_SIZE)
prod->writepos = 0;
//仓库已满，等待消费者消费
prod->nottempty.wakeAll();
prod->lock.unlock();
}
class Consumer:public QThread
{
public:
void run();
int get(producons *prod);
};
void Consumer::run()
{
int d = 0;
while(1)
{
qDebug()<<"消费者睡眠 2s...";
sleep(2);
d = get(&buffer);
qDebug()<<"读取信息:"<< d;
if(d == -1) break;
}
qDebug()<<"结束消费者!";
return;
}
int Consumer::get(producons *prod)
{
int data;
prod->lock.lock(); //加锁
while(prod->writepos == prod->readpos)
{
qDebug()<<"消费者等待，直到buffer有消息\n";
prod->nottempty.wait(&prod->lock);
}
//读取buffer里面的消息
data = prod->buffer[prod->readpos];
prod->readpos++;
if(prod->readpos >=BUFFER_SIZE)
prod->readpos = 0;
//触发非满条件变量 告诉生产者可以生产
prod->notfull.wakeAll();
prod->lock.unlock();
return data;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
QCoreApplication a(argc, argv);
Producor productor;
Consumer consumer;
productor.start();
consumer.start();
productor.wait();
consumer.wait();
return a.exec();
}
生产者睡眠 1s...
消费者睡眠 2s...
生产信息: 0
生产者睡眠 1s...
读取信息: 0
生产信息: 1
消费者睡眠 2s...
生产者睡眠 1s...
生产信息: 2
生产者等待生产，直到buffer有空位置
读取信息: 1
生产者睡眠 1s...
消费者睡眠 2s...
生产信息: 3
生产者等待生产，直到buffer有空位置
读取信息: 2
生产者睡眠 1s...
消费者睡眠 2s...
生产信息: 4
生产者等待生产，直到buffer有空位置
读取信息: 3
生产者睡眠 3s...
消费者睡眠 2s...
读取信息: 4
消费者睡眠 2s...
生产信息： 5
生产者睡眠 3s...
读取信息: 5
消费者睡眠 2s...
生产信息： 6
消费者等待，直到buffer有消息
生产者睡眠 3s...
读取信息: 6
消费者睡眠 2s...
消费者等待，直到buffer有消息
生产信息： 7
生产者睡眠 3s...
读取信息: 7
消费者睡眠 2s...
消费者等待，直到buffer有消息
生产信息： 8
生产者睡眠 3s...
读取信息: 8
消费者睡眠 2s...
消费者等待，直到buffer有消息
生产信息： 9
生产者等待生产，直到buffer有空位置
读取信息: 9
消费者睡眠 2s...
结束生产者!
读写锁QReadWriteLock
QReadWriterLock 与QMutex相似，但对读写操作访问进行区别对待，可以允许多个读者同时读数据，但只能有一个写，并且写读操作不同同时进行。使用QReadWriteLock而不是QMutex，可以使得多线程程序更具有并发性。 QReadWriterLock默认模式是NonRecursive
QReadWriterLock类成员函数如下：
QReadWriteLock ( )
QReadWriteLock ( RecursionMode recursionMode )
void lockForRead ()
void lockForWrite ()
bool tryLockForRead ()
bool tryLockForRead ( int timeout )
bool tryLockForWrite ()
bool tryLockForWrite ( int timeout )
boid unlock ()
使用示例：
QReadWriteLock lock;
void ReaderThread::run()
{
lock.lockForRead();
read_file();
lock.unlock();
}
void WriterThread::run()
{
lock.lockForWrite();
write_file();
lock.unlock();
}
QReadLocker和QWriteLocker
在较复杂的函数和异常处理中对QReadWriterLock类lock对象进行lockForRead()/lockForWrite()和unlock()操作将会很复杂，进入点要lockForRead()/lockForWrite()，在所有跳出点都要unlock()，很容易出现在某些跳出点未调用unlock()，所以Qt引进了QReadLocker和QWriteLocker类来简化解锁操作。在函数需要的地方建立QReadLocker或QWriteLocker对象，并把lock指针传给QReadLocker或QWriteLocker对象，此时lock已经加锁，等到退出函数后，QReadLocker或QWriteLocker对象局部变量会自己销毁，此时lock解锁。
QReadWriteLock lock;
QByteArray readData()
{
QReadLocker locker(&lock);
...
return data;
}
信号量QSemaphore
QSemaphore 是QMutex的一般化，是特殊的线程锁，允许多个线程同时访问临界资源，而一个QMutex只保护一个临界资源。QSemaphore 类的所有成员函数是线程安全的。
QSemaphore 类成员函数：
QSemaphore ( int n = 0 )
void acquire ( int n = 1 )
int available () const
void release ( int n = 1 )
bool tryAcquire ( int n = 1 )
bool tryAcquire ( int n, int timeout )
伪代码:
const int BufferSize = 8192;
QSemaphore production(BufferSize);
QSemaphore consumption;
production.acquire();
//对BufferSize锁着后操作
consumption.release();
End