Linux Qt使用POSIX多執行緒條件變數、互斥鎖(量)

真的好多巧合發表於2019-08-01
LinuxQT執行緒變數

今天團建，但是文章也要寫。酒要喝好，文要寫美，方為我輩程式設計師的全才之路。嘎嘎

 

之前一直在看POSIX的多執行緒程式設計，上個週末結合自己的理解，寫了一個基於Qt的用條件變數同步執行緒的例子。故此來和大家一起分享，希望和大家一起交流。

 

提到執行緒，如果在UI程式設計中，總會和一些耗時操作聯絡在一起。Qt中處理耗時操作通常有兩種方式，一種是將耗時操作放線上程中；另一種則是使用QApplication::processEvents()，防止阻塞UI。從更加通用的角度來講，我是更傾向於執行緒的，但對於很多初學者來講，執行緒還是有一定難度的。比如說需要對執行緒間共享的資料提供保護，使用互斥量同步、使用條件變數、使用讀寫鎖同步等；各種同步方式用在什麼情況下，開始程式設計時多執行緒使用的並不多，無法切身體會到這些問題，後來程式寫的多了一點兒，慢慢接觸到一些多執行緒的東西，並且自己也可以學習了相關知識，並用到實際程式中。好了，下面以一個實際的例子為背景，來說明Linux POSIX多執行緒的一些特性。

 

程式環境：ubuntu 14.04、 Qt 5.5.1、 Posix多執行緒(C的用法)

這裡簡單說下我為什麼用Linux C的多執行緒，因為Qt的多程式設計對於一些執行緒的終止時含糊不清楚的，並且一個執行緒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，以後有機會我還會新增執行緒取消和執行緒退出的操作。

 

我自己設定的場景是這樣的，在UI主執行緒中通過介面手動向一個執行緒間共享的佇列中push資料，而另外開啟的一個執行緒則一直在while中pop資料，這算是一個變種的生產者和消費者模式吧。

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

 

1. UI中向佇列push資料(生產者生產數)

這是一個槽函式，當在lineEdit中回車後，則會觸發該槽函式，由於該佇列是執行緒間的 共享資料，所以使用了互斥鎖進行保護，即該槽運算元據的過程中如果有其他執行緒想要運算元據，則其他執行緒則會被阻塞，即訪問一個已經被加鎖的互斥量的執行緒會被阻塞。

 

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. 消費者執行緒pop資料

該執行緒使用的是Qt的moveToThread方法建立的執行緒，這裡注意的是，整個類都執行在新的執行緒中。該槽函式隨著執行緒的啟動訊號(start())發射後而一直進行while迴圈。首先對互斥量上鎖，之後判斷謂詞狀態，如果佇列為空，則等待條件變數。等待條件變數時pthread_cond_wait()會自動釋放互斥鎖，這樣其他執行緒才能夠操作共享資料。從條件變數等待中醒來後，會再次獲得互斥鎖，以操作共享資料。共享資料被操作完成後，再次釋放互斥鎖。這是我們使用條件變數等待的一個操作流程，如果我們不使用條件變數等待會是怎樣的呢？

 

 

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
        {
//使用條件變數等待
            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. 不使用條件變數等待

①不使用條件變數等待

如果不使用條件變數等待，則消費者執行緒在很大一部時間內幾乎都是在執行 while(1)無限迴圈，這是很佔用CPU資源的，在ubuntu下，使用htop檢視的效果 如下：

遮蔽status = pthread_cond_wait(&m_structCondition.cond,

&m_structCondition.mutex);

我們看到，此時CPU是滿負荷在執行的，這當然不是一個程式所應有的正常狀態。

 

②使用條件變數的結果

 

此時我們看到CPU的佔用率是很低的，這也是為什麼使用條件變數的原因之一，讓不滿足的條件的執行緒掛起，而不是在浪費CPU資源。條件變數是 允許使用佇列的執行緒之間交換佇列狀態資訊的機制。那麼當我們還沒有掌握執行緒條件變數的用法時，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視窗時，會有這樣一句訊息：

QThread: Destroyed while thread is still running

執行緒正在執行時就被破壞了，這個我們接下來會說，那就是如何退出執行緒、終止執行緒以及取消執行緒等操作了。

歡迎大家一起交流！

 

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