Qt之线程同步(生产者消费者模式 |
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转载自https://yq.aliyun.com/articles/62060 简述生产者将数据写入缓冲区,直到它到达缓冲区的末尾,这时,它从开始位置重新启动,覆盖现有数据。消费者线程读取数据并将其写入标准错误。 Wait condition(等待条件)比单独使用 mutex(互斥量)有一个更高级的并发性,如果缓冲区的访问由一个 QMutex 把守,当生产者线程访问缓冲区时,消费者线程将无法访问。然而,两个线程同时访问不同的缓冲区是没有害处的。 示例包含两个类:Producer 和 Consumer,均继承自 QThread。循环缓冲区用于两个类之间的沟通,同步工具用于保护全局变量。 另一种“生产者 - 消费者”模式的方案是使用 QSemaphore - Qt之线程同步(生产者消费者模式 - QSemaphore) 简述全局变量ProducerConsumermain 函数更多参考 全局变量首先,一起来看循环缓冲区和相关的同步工具: const int DataSize = 100000; const int BufferSize = 8192; char buffer[BufferSize]; QWaitCondition bufferNotEmpty; QWaitCondition bufferNotFull; QMutex mutex; int numUsedBytes = 0;DataSize 是生产者将生成的数据数量,为了让示例尽可能地简单,把它定义为一个常数。BufferSize 是循环缓冲区的大小,小于 DataSize,这意味着在某一时刻生产者将达到缓冲区的末尾,并从开始位置重新启动。 要同步生产者和消费者,需要两个 wait 条件和一个 mutex。当生产者生成一些数据时,bufferNotEmpty 条件被发射,告诉消费者可以读取它了;当消费者读取一些数据时,bufferNotFull 条件被发射,告诉生产者生成更多的数据。numUsedBytes 为缓冲区中所包含数据的字节数。 总之,wait 条件、mutex、和 numUsedBytes 计数器确保生产者不会先于消费者超过 BufferSize 的大小,而消费者永远不会读取生产者尚未生成的数据。 ProducerProducer 类的代码如下: class Producer : public QThread { public: Producer(QObject *parent = NULL) : QThread(parent) { } void run() Q_DECL_OVERRIDE { qsrand(QTime(0,0,0).secsTo(QTime::currentTime())); for (int i = 0; i < DataSize; ++i) { mutex.lock(); if (numUsedBytes == BufferSize) bufferNotFull.wait(&mutex); mutex.unlock(); buffer[i % BufferSize] = "ACGT"[(int)qrand() % 4]; mutex.lock(); ++numUsedBytes; bufferNotEmpty.wakeAll(); mutex.unlock(); } } };生产者生成 DataSize 字节的数据。在往循环缓冲区写入一个字节之前,它必须先检测缓冲区是否已满(例如,numUsedBytes 等于 BufferSize),如果缓冲区满了,线程就会在 bufferNotFull 条件上等待。 最后,生产者增加 numUsedBytes,并且标志 bufferNotEmpty 条件为 true,从而 numUsedBytes 必然大于 0, 我们使用一个 mutex 保护 numUsedBytes 变量的所有访问。此外,QWaitCondition::wait() 函数接受一个 mutex 作为其参数。当线程被置于休眠状态之前,该 mutex 被解锁;当线程被唤醒,该 mutex 被锁定。此外,为了防止竞争条件发生,从锁定状态到等待状态的过渡具有原子性。 Consumer现在转向 Consumer 类: class Consumer : public QThread { Q_OBJECT public: Consumer(QObject *parent = NULL) : QThread(parent) { } void run() Q_DECL_OVERRIDE { for (int i = 0; i < DataSize; ++i) { mutex.lock(); if (numUsedBytes == 0) bufferNotEmpty.wait(&mutex); mutex.unlock(); fprintf(stderr, "%c", buffer[i % BufferSize]); mutex.lock(); --numUsedBytes; bufferNotFull.wakeAll(); mutex.unlock(); } fprintf(stderr, "\n"); } signals: void stringConsumed(const QString &text); };代码非常类似于生产者,在读取字节之前,需要先检查缓冲区是否为空(numUsedBytes 为 0),而非它是否为已满。并且,当它为空时,等待 bufferNotEmpty 条件。在读取字节后,减小 numUsedBytes (而非增加),并标志 bufferNotFull 条件(而非 bufferNotEmpty 条件)。 main() 函数在 main() 函数中,我们创建两个线程,并调用 QThread::wait(),以确保在退出之前,这两个线程有时间完成。 int main(int argc, char *argv[]) { QCoreApplication app(argc, argv); Producer producer; Consumer consumer; producer.start(); consumer.start(); producer.wait(); consumer.wait(); return 0; }当运行这个程序时,会发生什么呢? 最初,生产者是唯一一个可以做任何事情的线程,消费者阻塞并等待 bufferNotEmpty 条件被发射(numUsedBytes 是 0)。一旦生产者把一个字节放入缓冲区,numUsedBytes 就会变为 BufferSize - 1,并且 bufferNotEmpty 条件被发射。这时,可能发生两件事:要么消费者线程接管和读取字节,要么生产者开始生成第二个字节。 此示例中提出的“生产者 - 消费者”模式,适用于编写高并发多线程应用。在多处理器计算机中,程序可能比基于 mutex 的方案快达两倍之多,因为两个线程可以同一时间在缓冲区的不同部分处于激活状态。 要知道,这些好处并不总能实现,加锁和解锁一个 QMutex 是需要成本的。在实践中,可能需要把缓冲区分为块,并针对块操作而非单个字节。缓冲区的大小也是一个必须仔细选择的参数,需要基于实验。 更多参考 Qt之线程同步(生产者消费者模式 - QSemaphore) |
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