開發(fā)及實例章多線程

第12章Qt5多線程12.1多線程及簡單實例12.2多線程控制12.3多線程應用第12章Qt5多線程多線程具有以下幾點優(yōu)勢。（1）提高應用程序的響應速度。這對于開發(fā)圖形界面的程序尤為重要，當一個操作耗時很長時，整個系統(tǒng)都會等待這個操作，程序就不能響應鍵盤、鼠標、菜單等的操作，而使用多線程技術可將耗時長的操作置于一個新的線程，從而避免以上的問題。（2）使多CPU系統(tǒng)更加有效。當線程數不大于CPU數目時，操作系統(tǒng)可以調度不同的線程運行于不同的CPU上。（3）改善程序結構。一個既長又復雜的進程可以考慮分為多個線程，成為獨立或半獨立的運行部分，這樣有利于代碼的理解和維護。第12章Qt5多線程多線程程序有以下幾個特點。（1）多線程程序的行為無法預期，當多次執(zhí)行上述程序時，每一次的運行結果都可能不同。（2）多線程的執(zhí)行順序無法保證，它與操作系統(tǒng)的調度策略和線程優(yōu)先級等因素有關。（3）多線程的切換可能發(fā)生在任何時刻、任何地點。（4）多線程對代碼的敏感度高，因此對代碼的細微修改都可能產生意想不到的結果。12.1

多線程及簡單實例【例】（難度一般）（CH1201）如圖12.1所示，單擊“開始”按鈕將啟動數個工作線程（工作線程數目由MAXSIZE宏決定），各個線程循環(huán)打印數字0~9，直到單擊“停止”按鈕終止所有線程為止。實現步驟如下。（1）在頭文件“threaddlg.h”中聲明用于界面顯示所需的控件，其具體代碼如下：#include<QDialog>#include<QPushButton>classThreadDlg:publicQDialog{Q_OBJECTpublic:ThreadDlg(QWidget*parent=0);~ThreadDlg();private:QPushButton*startBtn;QPushButton*stopBtn;QPushButton*quitBtn;};12.1

多線程及簡單實例（2）在源文件“threaddlg.cpp”的構造函數中，完成各個控件的初始化工作，其具體代碼如下：#include"threaddlg.h"#include<QHBoxLayout>ThreadDlg::ThreadDlg(QWidget*parent):QDialog(parent){setWindowTitle(tr("線程"));startBtn=newQPushButton(tr("開始"));stopBtn=newQPushButton(tr("停止"));quitBtn=newQPushButton(tr("退出"));QHBoxLayout*mainLayout=newQHBoxLayout(this);mainLayout->addWidget(startBtn);mainLayout->addWidget(stopBtn);mainLayout->addWidget(quitBtn);}12.1

多線程及簡單實例（3）此時運行程序，界面顯示如圖12.1所示。以上完成了界面的設計，下面的內容是具體的功能實現。（1）在頭文件“workthread.h”中，工作線程WorkThread類繼承自QThread類。重新實現run()函數。其具體代碼如下：#include<QThread>classWorkThread:publicQThread{Q_OBJECTpublic:WorkThread();protected:voidrun();};12.1

多線程及簡單實例（2）在源文件“workthread.cpp”中添加具體實現代碼如下：#include"workthread.h"#include<QtDebug>WorkThread::WorkThread(){}run()函數實際上是一個死循環(huán)，它不停地打印數字0~9。為了顯示效果明顯，程序將每一個數字重復打印8次。voidWorkThread::run(){while(true){for(intn=0;n<10;n++)qDebug()<<n<<n<<n<<n<<n<<n<<n<<n;}}12.1

多線程及簡單實例（3）在頭文件“threaddlg.h”中添加以下內容：#include"workthread.h"#defineMAXSIZE1 //MAXSIZE宏定義了線程的數目publicslots:voidslotStart(); //槽函數用于啟動線程voidslotStop(); //槽函數用于終止線程private:WorkThread*workThread[MAXSIZE]; //(a)12.1

多線程及簡單實例（4）在源文件“threaddlg.cpp”中添加以下內容。其中，在構造函數中添加如下代碼：connect(startBtn,SIGNAL(clicked()),this,SLOT(slotStart()));connect(stopBtn,SIGNAL(clicked()),this,SLOT(slotStop()));connect(quitBtn,SIGNAL(clicked()),this,SLOT(close()));槽函數slotStart()，當用戶單擊“開始”按鈕時，此函數將被調用。這里使用兩個循環(huán)，目的是為了使新建的線程盡可能同時開始執(zhí)行，其具體實現代碼如下：voidThreadDlg::slotStart(){for(inti=0;i<MAXSIZE;i++){workThread[i]=newWorkThread(); //(a)}for(inti=0;i<MAXSIZE;i++){workThread[i]->start(); //(b)}startBtn->setEnabled(false);stopBtn->setEnabled(true);}12.1

多線程及簡單實例槽函數slotStop()，當用戶單擊“停止”按鈕時，此函數將被調用。其具體實現代碼如下：voidThreadDlg::slotStop(){for(inti=0;i<MAXSIZE;i++){workThread[i]->terminate();workThread[i]->wait();}startBtn->setEnabled(true);stopBtn->setEnabled(false);}12.1

多線程及簡單實例（5）運行結果如圖12.2所示。

MAXSIZE=5MAXSIZE=112.2

多線程控制實現線程的互斥與同步常使用的類有QMutex、QMutexLocker、QReadWriteLocker、QReadLocker、QWriteLocker、QSemaphore和QWaitCondition。下面舉一個例子來說明問題：classKey{public:Key(){key=0;}intcreatKey(){++key;returnkey;}intvalue()const{returnkey;}private:intkey;};12.2

多線程控制雖然類Key產生主鍵的函數creatKey()只有一條語句執(zhí)行修改成員變量key的值，但是C++的“++”操作符并不是原子操作，通常編譯后，它將被展開成為以下三條機器命令：

將變量值載入寄存器。

將寄存器中的值加1。

將寄存器中的值寫回主存。假設當前的key值為0，如果線程1和線程2同時將0值載入寄存器，執(zhí)行加1操作并將加1后的值寫回主存，則結果是兩個線程的執(zhí)行結果將互相覆蓋，實際上僅進行了一次加1操作，此時的key值為1。12.2.1互斥量1．QMutex類QMutex類是對互斥量的處理。它被用來保護一段臨界區(qū)代碼，即每次只允許一個線程訪問這段代碼。QMutex類的lock()函數用于鎖住互斥量。如果互斥量處于解鎖狀態(tài)，則當前線程就會立即抓住并鎖定它，否則當前線程就會被阻塞，直到持有這個互斥量的線程對它解鎖。線程調用lock()函數后就會持有這個互斥量，直到調用unlock()操作為止。QMutex類還提供了一個tryLock()函數。如果互斥量已被鎖定，則立即返回。例如：classKey{public:Key(){key=0;}intcreatKey(){mutex.lock();++key;returnkey;mutex.unlock();}intvalue()const{mutex.lock();returnkey;mutex.unlock();}private:intkey;QMutexmutex;};12.2.1互斥量2．QMutexLocker類Qt提供的QMutexLocker類可以簡化互斥量的處理，它在構造函數中接收一個QMutex對象作為參數并將其鎖定，在析構函數中解鎖這個互斥量，這樣就解決了以上問題。例如：classKey{public:Key(){key=0;}intcreatKey(){QmutexLockerlocker(&mutex);++key;returnkey;}intvalue()const{QmutexLockerlocker(&mutex);returnkey;}private:intkey;QMutexmutex;};12.2.2信號量生產者/消費者實例中對同步的需求有兩處：（1）如果生產者過快地生產數據，將會覆蓋消費者還沒有讀取的數據。（2）如果消費者過快地讀取數據，將越過生產者并且讀取到一些過期數據。針對以上問題，可以有兩種解決方法：（1）首先使生產者填滿整個緩沖區(qū)，然后等待消費者讀取整個緩沖區(qū)，這是一種比較笨拙的方法。（2）使生產者和消費者線程同時分別操作緩沖區(qū)的不同部分，這是一種比較高效的方法。12.2.2信號量【例】（難度一般）（CH1202）基于控制臺程序實現。（1）源文件“main.cpp”中添加的具體實現代碼如下：#include<QCoreApplication>#include<QSemaphore>#include<QThread>#include<stdio.h>constintDataSize=1000;constintBufferSize=80;intbuffer[BufferSize]; //(a)QSemaphorefreeBytes(BufferSize); //(b)QSemaphoreusedBytes(0); //(c)（2）Producer類繼承自QThread類，作為生產者類，其聲明如下：classProducer:publicQThread{public:Producer();voidrun();};12.2.2信號量Producer構造函數中沒有實現任何內容：Producer::Producer(){}Producer::run()函數的具體實現代碼如下：voidProducer::run(){for(inti=0;i<DataSize;i++){freeBytes.acquire(); //(a)buffer[i%BufferSize]=(i%BufferSize); //(b)usedBytes.release(); //(c)}}12.2.2信號量（3）Consumer類繼承自QThread類，作為消費者類，其聲明如下：classConsumer:publicQThread{public:Consumer();voidrun();};Consumer構造函數中沒有實現任何內容：Consumer::Consumer(){}12.2.2信號量Consumer::run()函數的具體實現代碼如下：voidConsumer::run(){for(inti=0;i<DataSize;i++){usedBytes.acquire(); //(a)fprintf(stderr,"%d",buffer[i%BufferSize]); //(b)if(i%16==0&&i!=0)fprintf(stderr,"\n");freeBytes.release(); //(c)}fprintf(stderr,"\n");}12.2.2信號量（4）main()函數的具體內容如下：intmain(intargc,char*argv[]){QCoreApplicationa(argc,argv);Producerproducer;Consumerconsumer; /*啟動生產者和消費者線程*/producer.start();consumer.start(); /*等待生產者和消費者各自執(zhí)行完畢后自動退出*/producer.wait();consumer.wait();returna.exec();}12.2.2信號量（5）最終運行結果如圖12.3所示。12.2.3線程等待與喚醒【例】（難度一般）（CH1203）使用QWaitCondition類解決生產者和消費者問題。源文件“main.cpp”的具體內容如下：#include<QCoreApplication>#include<QWaitCondition>#include<QMutex>#include<QThread>#include<stdio.h>constintDataSize=1000;constintBufferSize=80;intbuffer[BufferSize];QWaitConditionbufferEmpty;QWaitConditionbufferFull;QMutexmutex; //(a)intnumUsedBytes=0; //(b)intrIndex=0; //(c)12.2.3線程等待與喚醒生產者線程Producer類繼承自QThread類，其聲明如下：classProducer:publicQThread{public:Producer();voidrun();};Producer構造函數無須實現：Producer::Producer(){}12.2.3線程等待與喚醒Producer::run()函數的具體內容如下：voidProducer::run(){for(inti=0;i<DataSize;i++) //(a){mutex.lock();if(numUsedBytes==BufferSize) //(b)bufferEmpty.wait(&mutex); //(c)buffer[i%BufferSize]=numUsedBytes; //(d)++numUsedBytes; //增加numUsedBytes變量bufferFull.wakeAll(); //(e)mutex.unlock();}}12.2.3線程等待與喚醒其中，(a)for(inti=0;i<DataSize;i++){mutex.lock();…mutex.unlock();}：for循環(huán)中的所有語句都需要使用互斥量加以保護，以保證其操作的原子性。(b)if(numUsedBytes==BufferSize)：首先檢查緩沖區(qū)是否已經填滿。(c)bufferEmpty.wait(&mutex)：如果緩沖區(qū)已經填滿，則等待“緩沖區(qū)有空位”（bufferEmpty變量）條件成立。wait()函數將互斥量解鎖并在此等待，其原型如下：boolQWaitCondition::wait( QMutex*mutex, unsignedlongtime=ULONG_MAX)(d)buffer[i%BufferSize]=numUsedBytes：如果緩沖區(qū)未被填滿，則向緩沖區(qū)中寫入一個整數值。(e)bufferFull.wakeAll()：最后喚醒等待“緩沖區(qū)有可用數據”（bufferEmpty變量）條件為“真”的線程。12.2.3線程等待與喚醒消費者線程Consumer類繼承自QThread類，其聲明如下：classConsumer:publicQThread{public:Consumer();voidrun();};Consumer構造函數中無須實現內容：Consumer::Consumer(){}12.2.3線程等待與喚醒Consumer::run()函數的具體內容如下：voidConsumer::run(){forever{mutex.lock();if(numUsedBytes==0)bufferFull.wait(&mutex); //(a)printf("%ul::[%d]=%d\n",currentThreadId(),rIndex,buffer[rIndex]); //(b)rIndex=(++rIndex)%BufferSize; //將rIndex變量循環(huán)加1--numUsedBytes; //(c)bufferEmpty.wakeAll(); //(d)mutex.unlock();}printf("\n");}12.2.3線程等待與喚醒main()函數的具體內容如下：intmain(intargc,char*argv[]){QCoreApplicationa(argc,argv);Producerproducer;ConsumerconsumerA;ConsumerconsumerB;producer.start();consumerA.start();consumerB.start();producer.wait();consumerA.wait();consumerB.wait();returna.exec();}12.2.3線程等待與喚醒程序最終的運行結果如圖12.4所示。12.3

多線程應用12.3.1【實例】：服務器編程【例】（難度中等）（CH1204）服務器編程。首先，建立服務器端工程“TimeS”。文件代碼如下。（1）在頭文件“dialog.h”中，定義服務器端界面類Dialog繼承自QDialog類，其具體代碼如下：#include<QDialog>#include<QLabel>#include<QPushButton>classDialog:publicQDialog{Q_OBJECTpublic:Dialog(QWidget*parent=0);~Dialog();private:QLabel*Label1; //此標簽用于顯示監(jiān)聽端口QLabel*Label2; //此標簽用于顯示請求次數QPushButton*quitBtn; //退出按鈕};12.3.1【實例】：服務器編程（2）在源文件“dialog.cpp”中，Dialog類的構造函數完成了初始化界面，其具體代碼如下：#include"dialog.h"#include<QHBoxLayout>#include<QVBoxLayout>Dialog::Dialog(QWidget*parent):QDialog(parent){setWindowTitle(tr("多線程時間服務器"));Label1=newQLabel(tr("服務器端口："));Label2=newQLabel;quitBtn=newQPushButton(tr("退出"));QHBoxLayout*BtnLayout=newQHBoxLayout;BtnLayout->addStretch(1);BtnLayout->addWidget(quitBtn);BtnLayout->addStretch(1);QVBoxLayout*mainLayout=newQVBoxLayout(this);mainLayout->addWidget(Label1);mainLayout->addWidget(Label2);mainLayout->addLayout(BtnLayout);connect(quitBtn,SIGNAL(clicked()),this,SLOT(close()));}12.3.1【實例】：服務器編程（3）此時運行服務器端工程“TimeS”，界面顯示如圖12.5所示。12.3.1【實例】：服務器編程（4）在服務器端工程“TimeS”中，添加C++Class文件“timethread.h”及“timethread.cpp”。在頭文件“timethread.h”中，工作線程TimeThread類繼承自QThread類，實現TCP套接字，其具體代碼如下：#include<QThread>#include<QtNetwork>#include<QTcpSocket>classTimeThread:publicQThread{Q_OBJECTpublic:TimeThread(intsocketDescriptor,QObject*parent=0);voidrun(); //重寫此虛函數signals:voiderror(QTcpSocket::SocketErrorsocketError); //出錯信號private:intsocketDescriptor; //套接字描述符};12.3.1【實例】：服務器編程（5）在源文件“timethread.cpp”中，TimeThread類的構造函數只是初始化了套接字描述符，其具體代碼如下：#include"timethread.h"#include<QDateTime>#include<QByteArray>#include<QDataStream>TimeThread::TimeThread(intsocketDescriptor,QObject*parent):QThread(parent),socketDescriptor(socketDescriptor){}12.3.1【實例】：服務器編程TimeThread::run()函數是工作線程（TimeThread）的實質所在，當在TimeServer::ingConnection()函數中調用了thread->start()函數后，此虛函數開始執(zhí)行，其具體代碼如下：voidTimeThread::run(){QTcpSockettcpSocket; //創(chuàng)建一個QTcpSocket類

if(!tcpSocket.setSocketDescriptor(socketDescriptor)) //(a){emiterror(tcpSocket.error()); //(b)return;}QByteArrayblock;QDataStreamout(&block,QIODevice::WriteOnly);out.setVersion(QDataStream::Qt_5_8);uinttime2u=QDateTime::currentDateTime().toTime_t();//(c)out<<time2u;tcpSocket.write(block); //將獲得的當前時間傳回客戶端

tcpSocket.disconnectFromHost(); //斷開連接

tcpSocket.waitForDisconnected(); //等待返回}12.3.1【實例】：服務器編程（6）在服務器端工程“TimeS”中添加C++Class文件“timeserver.h”及“timeserver.cpp”。在頭文件“timeserver.h”中，實現了一個TCP服務器端，類TimeServer繼承自QTcpServer類，其具體代碼如下：#include<QTcpServer>classDialog; //服務器端的聲明classTimeServer:publicQTcpServer{Q_OBJECTpublic:TimeServer(QObject*parent=0);protected:voidingConnection(intsocketDescriptor); //(a)private:Dialog*dlg; //(b)};12.3.1【實例】：服務器編程（7）在源文件“timeserver.cpp”中，構造函數只是用傳入的父類指針parent初始化私有變量dlg，其具體代碼如下：#include"timeserver.h"#include"timethread.h"#include"dialog.h"TimeServer::TimeServer(QObject*parent):QTcpServer(parent){dlg=(Dialog*)parent;}重寫的虛函數ingConnection()的具體代碼如下：voidingConnection(intsocketDescriptor){TimeThread*thread=newTimeThread(socketDescriptor,0); //(a)connect(thread,SIGNAL(finished()),dlg,SLOT(slotShow())); //(b)connect(thread,SIGNAL(finished()),thread,SLOT(deleteLater()),Qt::DirectConnection); //(c)thread->start(); //(d)}12.3.1【實例】：服務器編程（8）在服務器端界面的頭文件“dialog.h”中添加的具體代碼如下：classTimeServer;publicslots:voidslotShow(); //此槽函數用于界面上顯示的請求次數private:TimeServer*timeServer; //TCP服務器端timeServerintcount; //請求次數計數器count12.3.1【實例】：服務器編程（9）在源文件“dialog.cpp”中，添加的頭文件如下：#include<QMessageBox>#include"timeserver.h"其中，在Dialog類的構造函數中添加的內容，用于啟動服務器端的網絡監(jiān)聽，其具體實現如下：count=0;timeServer=newTimeServer(this);if(!timeServer->listen()){QMessageBox::critical(this,tr("多線程時間服務器"),tr("無法啟動服務器：%1.").arg(timeServer->errorString()));close();return;}Label1->setText(tr("服務器端口：%1.").arg(timeServer->serverPort()));在源文件“dialog.cpp”中，槽函數slotShow()的具體內容如下：voidDialog::slotShow(){Label2->setText(tr("第%1次請求完畢。").arg(++count));}12.3.1【實例】：服務器編程（10）在服務器端工程文件“TimeS”中添加如下代碼：QT+=network（11）最后運行服務器端工程“TimeS”，結果如圖12.6所示。12.3.2【實例】：客戶端編程【例】（難度中等）（CH1205）客戶端編程。界面效果如圖12.7所示。12.3.2【實例】：客戶端編程操作步驟如下。（1）建立客戶端工程“TimeC”。在頭文件“timeclient.h”中，定義了客戶端界面類TimeClient繼承自QDialog類，其具體代碼。（2）在源文件“timeclient.cpp”中，TimeClient類的構造函數完成了初始化界面，其具體代碼。在源文件“timeclient.cpp”中，enableGetBtn()函數的具體代碼如下：voidTimeClient::enableGetBtn(){getBtn->setEnabled(!serverNameLineEdit->text().isEmpty()&&!portLineEdit->text().isEmpty());