Синхронизация и взаимное исключение потоков в Qt

Основы синхронизации потоков

Критический ресурс :每次只允许一个线程进行访问的资源

Взаимное исключение между потоками :多个线程在同一时刻都需要访问临界资源

Блокировка потока может обеспечить безопасность критически важных ресурсов.Обычно для защиты каждого критического ресурса требуется блокировка потока .

Блокировка темы :线程间相互等待临界资源而造成彼此无法继续执行。

Условия тупика :

A. В системе есть несколько критических ресурсов, и критические ресурсы не могут быть вытеснены

B. Поток нуждается в нескольких критических ресурсах для продолжения выполнения

Предотвращение взаимоблокировки :

A. Присвойте уникальный серийный номер каждому используемому критически важному ресурсу

B. Назначьте соответствующий порядковый номер блокировке потока, соответствующей каждому критическому ресурсу.

C. Каждый поток в системе запрашивает критические ресурсы в строго возрастающем порядке

        QMutex, QReadWriteLock, QSemaphore, QWaitCondition  предоставляют средства синхронизации потоков. Основная идея использования потоков — надеяться на то, что они могут выполняться максимально параллельно, а потокам нужно останавливаться или ждать между некоторыми ключевыми точками. Например, если два потока пытаются одновременно получить доступ к одной и той же глобальной переменной, результаты могут отличаться от ожидаемых.

Мьютекс QMutex

        QMutex обеспечивает взаимоисключающую блокировку или мьютекс. Одновременно мьютексом владеет не более одного потока. Если поток пытается получить доступ к заблокированному мьютексу, он будет бездействовать до тех пор, пока поток, владеющий мьютексом, не разблокирует мьютекс. QMutex обычно используется для защиты доступа к общим данным. QMutex, поэтому функции-члены являются потокобезопасными.

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();

        Если разблокированный мьютекс разблокирован, результат неизвестен.

Пример сценария:

Наследуйте класс QThread для достижения многопоточности

#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>
externint 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();
}

        Определите глобальную переменную, к которой могут обращаться два потока. Когда два потока обращаются к ней одновременно, возникает конкуренция за ресурсы, что приводит к непредсказуемым последствиям.

Результат работы программы следующий

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

Вы можете видеть, что данные беспорядочны, это случай без блокировки, а затем добавить блокировку

#include "mythread.h"
#include <QDebug>
externint 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";
}

        Блокировка и разблокировка мьютекса должны происходить парами в одном потоке.

        После запуска не будет таких проблем, как захват ресурсов и потеря данных.

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

Если вы чувствуете, что 10 слишком мало, вы можете изменить его на 100, а потеря данных более серьезна в случае разблокировки.

Мьютекс QMutexLocker

Будет очень сложно выполнять операции блокировки () и разблокировки () над объектами QMutexкласса         в более сложных функциях и обработке исключений. Точка входа должна быть обязательной во всех точках выхода . Легко обнаружить, что некоторые точки выхода не вызываются , поэтому Qt Вспомогательный класс QMutexLocker , чтобы избежать операций и ). Создайте объект там, где он нужен функции , и передайте указатель на объект.В это время мьютекс заблокирован.После выхода из функции локальная переменная объекта QMutexLocker будет уничтожена сама собой, а мьютекс будет разблокирован в это время.mutexlock()unlock()unlock()lock()unlock(QMutexLockermutexQMutexLocker

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）

Синхронизация потоков с помощью мьютексов

#include "mythread.h"
#include <QDebug>
externint 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";
}

Условная переменная QWaitCondition

        В Qt это называется состоянием ожидания , а в Linux — переменной условия, я называю это переменной условия единообразно.

        QWaitCondition  позволяет потокам будить другие потоки при возникновении определенных условий. Один или несколько потоков могут заблокировать ожидание QWaitCondition , установить условие с помощью wakeOne()или w . .akeAll()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();

        В классическом сценарии производитель-потребитель производитель сначала должен проверить, заполнен ли буфер , и если буфер заполнен, поток останавливается и ожидает  состояния неполного . Если не полный, произвести данные в буфере и активировать условие  nottempty . Используйте mutexдля защиты bufferдоступа к . QWaitCondition::wait() Получает единицу mutexв качестве параметра, mutexвызываемый поток инициализируется в заблокированном состоянии. Прежде чем поток перейдет в спящий режим, mutexон будет разблокирован. Когда поток проснется, mutexон будет в заблокированном состоянии, а переход из заблокированного состояния в состояние ожидания является атомарной операцией. Когда программа запускается, работать может только производитель, потребитель блокируется в ожидании состояния nottempty , как только производитель помещает байт в буфер, срабатывает условие nottempty и пробуждается поток-потребитель.

Пример производителя и потребителя:

#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!

Блокировка чтения-записи QReadWriteLock

        QReadWriterLock Аналогичен QMutex, но обрабатывает операции чтения и записи по-разному, позволяя нескольким считывателям одновременно читать данные , но только один записывает , а операции записи и чтения не выполняются одновременно. Использование QReadWriteLockвместо QMutex, может сделать многопоточные программы более параллельными . Режим QReadWriterLock по умолчанию:NonRecursive

Функции-члены класса QReadWriterLock следующие:

QReadWriteLock ( )
QReadWriteLock ( RecursionMode recursionMode )
void lockForRead ()
void lockForWrite ()
bool tryLockForRead ()
bool tryLockForRead ( int timeout )
bool tryLockForWrite ()
bool tryLockForWrite ( int timeout )
boid unlock ()

Пример использования:

QReadWriteLock lock;
void ReaderThread::run()
{
    lock.lockForRead();
    read_file();
    lock.unlock();
}
void WriterThread::run()
{
    lock.lockForWrite();
    write_file();
    lock.unlock();
}

QReadLocker и QWriteLocker

        В более сложных функциях и обработке исключений будет очень сложно оперировать и управлять объектами QReadWriterLockкласса . Точка входа должна быть обязательной во всех точках выхода . Легко может показаться, что некоторые точки выхода не вызываются , поэтому Qt вводит QReadLocker и Классы QWriteLocker для упрощения операции разблокировки. Создайте объект QReadLocker или QWriteLocker там, где он нужен функции , и передайте указатель блокировки объекту QReadLocker или QWriteLocker.В это время блокировка заблокирована.После выхода из функции или локальная переменная объекта будет уничтожена сам , замок в это время разблокирован .locklockForRead()/lockForWrite()unlock()lockForRead()/lockForWrite()unlock()unlock()QReadLockerQWriteLocker

QReadWriteLock lock;
QByteArray readData()
{
    QReadLocker locker(&lock);
    ...
    return data;
}

Семафор QSemaphore

        QSemaphore  — это обобщение QMutex , это специальная блокировка потока, которая позволяет нескольким потокам получать одновременный доступ к критическим ресурсам, а один защищаетQMutex только один критический ресурс. QSemaphore Все функции-члены класса потокобезопасны .

Функция-член класса QSemaphore:

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 )

псевдокод:

constint BufferSize = 8192;
QSemaphore  production(BufferSize);
QSemaphore  consumption;

production.acquire();
//对BufferSize锁着后操作
consumption.release();