QT 多线程程序设计-同步

2013年5月7日 由 Creater 留言 »

线程同步

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。
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,那么它将休眠,直到拥有mutex的线程对此mutex解锁。Mutexes常用来保护共享数据访问。
QReadWriterLock 与QMutex相似,除了它对 “read”,”write”访问进行区别对待。它使得多个读者可以共时访问数据。使用QReadWriteLock而不是QMutex,可以使得多线程程序更具有并发性。

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

QSemaphore 是QMutex的一般化,它可以保护一定数量的相同资源,与此相对,一个mutex只保护一个资源。下面例子中,使用QSemaphore来控制对环状缓冲的访问,此缓冲区被生产者线程和消费者线程共享。生产者不断向缓冲写入数据直到缓冲末端,再从头开始。消费者从缓冲不断读取数据。信号量比互斥量有更好的并发性,假如我们用互斥量来控制对缓冲的访问,那么生产者,消费者不能同时访问缓冲。然而,我们知道在同一时刻,不同线程访问缓冲的不同部分并没有什么危害。

const int DataSize = 100000;
const int BufferSize = 8192;
char buffer[BufferSize];
QSemaphore freeBytes(BufferSize);
QSemaphore usedBytes;
class Producer : public QThread
{
public:
     void run();
};
void Producer::run()
{
     qsrand(QTime(0,0,0).secsTo(QTime::currentTime()));
     for (int i = 0; i < DataSize; ++i) {
         freeBytes.acquire();
         buffer[i % BufferSize] = "ACGT"[(int)qrand() % 4];
         usedBytes.release();
     }
}
class Consumer : public QThread
{
public:
     void run();
};
void Consumer::run()
{
     for (int i = 0; i < DataSize; ++i) {
         usedBytes.acquire();
         fprintf(stderr, "%c", buffer[i % BufferSize]);
         freeBytes.release();
     }
     fprintf(stderr, "\n");
}
int main(int argc, char *argv[])
{
     QCoreApplication app(argc, argv);
     Producer producer;
     Consumer consumer;
     producer.start();
     consumer.start();
     producer.wait();
     consumer.wait();
     return 0;
}

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一QWaitCondition ,用wakeOne()或wakeAll()设置一个条件。wakeOne()随机唤醒一个,wakeAll()唤醒所有。

下面的例子中,生产者首先必须检查缓冲是否已满(numUsedBytes==BufferSize),如果是,线程停下来等待bufferNotFull条件。如果不是,在缓冲中生产数据,增加numUsedBytes,激活条件 bufferNotEmpty。使用mutex来保护对numUsedBytes的访问。另外,QWaitCondition::wait()接收一个mutex作为参数,这个mutex应该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,而且,从锁定状态到等待状态的转换是原子操作,这阻止了竞争条件的产生。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bufferNotEmpty条件,一旦生产者在缓冲中放入一个字节,bufferNotEmpty条件被激发,消费者线程于是被唤醒。

const int DataSize = 100000;
const int BufferSize = 8192;
char buffer[BufferSize];
QWaitCondition bufferNotEmpty;
QWaitCondition bufferNotFull;
QMutex mutex;
int numUsedBytes = 0;
class Producer : public QThread
{
public:
     void run();
};
void Producer::run()
{
     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();
     }
}
class Consumer : public QThread
{
public:
     void run();
};
void Consumer::run()
{
     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");
}
int main(int argc, char *argv[])
{
     QCoreApplication app(argc, argv);
     Producer producer;
     Consumer consumer;
     producer.start();
     consumer.start();
     producer.wait();
     consumer.wait();
     return 0;
}
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