Linux Qt使用POSIX多線程條件變量、互斥鎖(量)

今天團建，但是文章也要寫。酒要喝好，文要寫美，方爲我輩程序員的全才之路。嘎嘎

 

之前一直在看POSIX的多線程編程，上個週末結合自己的理解，寫了一個基於Qt的用條件變量同步線程的例子。故此來和大家一起分享，希望和大家一起交流。

 

提到線程，如果在UI編程中，總會和一些耗時操作聯繫在一起。Qt中處理耗時操作通常有兩種方式，一種是將耗時操作放在線程中；另一種則是使用QApplication::processEvents()，防止阻塞UI。從更加通用的角度來講，我是更傾向於線程的，但對於很多初學者來講，線程還是有一定難度的。比如說需要對線程間共享的數據提供保護，使用互斥量同步、使用條件變量、使用讀寫鎖同步等；各種同步方式用在什麼情況下，開始編程時多線程使用的並不多，無法切身體會到這些問題，後來程序寫的多了一點兒，慢慢接觸到一些多線程的東西，並且自己也可以學習了相關知識，並用到實際程序中。好了，下面以一個實際的例子爲背景，來說明Linux POSIX多線程的一些特性。

 

程序環境：ubuntu 14.04、 Qt 5.5.1、 Posix多線程(C的用法)

這裏簡單說下我爲什麼用Linux C的多線程，因爲Qt的多編程對於一些線程的終止時含糊不清楚的，並且一個線程被終止後的資源是無法被清理的，所以我選擇是相對底層的一些用法，以後有機會我還會添加線程取消和線程退出的操作。

 

我自己設定的場景是這樣的，在UI主線程中通過界面手動向一個線程間共享的隊列中push數據，而另外開啓的一個線程則一直在while中pop數據，這算是一個變種的生產者和消費者模式吧。

至於條件變量、互斥量(也就是互斥鎖)的初始化在這裏不再詳細說明，只說明一些相對重要的地方。

 

1. UI中向隊列push數據(生產者生產數)

這是一個槽函數，當在lineEdit中回車後，則會觸發該槽函數，由於該隊列是線程間的 共享數據，所以使用了互斥鎖進行保護，即該槽操作數據的過程中如果有其他線程想要操作數據，則其他線程則會被阻塞，即訪問一個已經被加鎖的互斥量的線程會被阻塞。

 

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. 消費者線程pop數據

該線程使用的是Qt的moveToThread方法創建的線程，這裏注意的是，整個類都運行在新的線程中。該槽函數隨着線程的啓動信號(start())發射後而一直進行while循環。首先對互斥量上鎖，之後判斷謂詞狀態，如果隊列爲空，則等待條件變量。等待條件變量時pthread_cond_wait()會自動釋放互斥鎖，這樣其他線程才能夠操作共享數據。從條件變量等待中醒來後，會再次獲得互斥鎖，以操作共享數據。共享數據被操作完成後，再次釋放互斥鎖。這是我們使用條件變量等待的一個操作流程，如果我們不使用條件變量等待會是怎樣的呢？

 

 

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
        {
//使用條件變量等待
            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. 不使用條件變量等待

①不使用條件變量等待

如果不使用條件變量等待，則消費者線程在很大一部時間內幾乎都是在執行 while(1)無限循環，這是很佔用CPU資源的，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);

我們看到，此時CPU是滿負荷在運行的，這當然不是一個程序所應有的正常狀態。

 

②使用條件變量的結果

 

此時我們看到CPU的佔用率是很低的，這也是爲什麼使用條件變量的原因之一，讓不滿足的條件的線程掛起，而不是在浪費CPU資源。條件變量是 允許使用隊列的線程之間交換隊列狀態信息的機制。那麼當我們還沒有掌握線程條件變量的用法時，又遇到這種情況時，該怎麼做呢？簡單，加個5ms的延時即可，5ms對我們來講時間極短極短，但對計算機來講，已經挺長時間了。

 

最後，當我們關掉UI窗口時，會有這樣一句消息：

QThread: Destroyed while thread is still running

線程正在運行時就被破壞了，這個我們接下來會說，那就是如何退出線程、終止線程以及取消線程等操作了。

歡迎大家一起交流！

 

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