開(kāi)發(fā)及實(shí)例章多線程

第12章Qt5多線程12.1多線程及簡(jiǎn)單實(shí)例12.2多線程控制12.3多線程應(yīng)用第12章Qt5多線程多線程具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。（1）提高應(yīng)用程序的響應(yīng)速度。這對(duì)于開(kāi)發(fā)圖形界面的程序尤為重要，當(dāng)一個(gè)操作耗時(shí)很長(zhǎng)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)等待這個(gè)操作，程序就不能響應(yīng)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、菜單等的操作，而使用多線程技術(shù)可將耗時(shí)長(zhǎng)的操作置于一個(gè)新的線程，從而避免以上的問(wèn)題。（2）使多CPU系統(tǒng)更加有效。當(dāng)線程數(shù)不大于CPU數(shù)目時(shí)，操作系統(tǒng)可以調(diào)度不同的線程運(yùn)行于不同的CPU上。（3）改善程序結(jié)構(gòu)。一個(gè)既長(zhǎng)又復(fù)雜的進(jìn)程可以考慮分為多個(gè)線程，成為獨(dú)立或半獨(dú)立的運(yùn)行部分，這樣有利于代碼的理解和維護(hù)。第12章Qt5多線程多線程程序有以下幾個(gè)特點(diǎn)。（1）多線程程序的行為無(wú)法預(yù)期，當(dāng)多次執(zhí)行上述程序時(shí)，每一次的運(yùn)行結(jié)果都可能不同。（2）多線程的執(zhí)行順序無(wú)法保證，它與操作系統(tǒng)的調(diào)度策略和線程優(yōu)先級(jí)等因素有關(guān)。（3）多線程的切換可能發(fā)生在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)。（4）多線程對(duì)代碼的敏感度高，因此對(duì)代碼的細(xì)微修改都可能產(chǎn)生意想不到的結(jié)果。12.1

多線程及簡(jiǎn)單實(shí)例【例】（難度一般）（CH1201）如圖12.1所示，單擊“開(kāi)始”按鈕將啟動(dòng)數(shù)個(gè)工作線程（工作線程數(shù)目由MAXSIZE宏決定），各個(gè)線程循環(huán)打印數(shù)字0~9，直到單擊“停止”按鈕終止所有線程為止。實(shí)現(xiàn)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(jiǎn)單實(shí)例（2）在源文件“threaddlg.cpp”的構(gòu)造函數(shù)中，完成各個(gè)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(kāi)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(jiǎn)單實(shí)例（3）此時(shí)運(yùn)行程序，界面顯示如圖12.1所示。以上完成了界面的設(shè)計(jì)，下面的內(nèi)容是具體的功能實(shí)現(xiàn)。（1）在頭文件“workthread.h”中，工作線程WorkThread類繼承自QThread類。重新實(shí)現(xiàn)run()函數(shù)。其具體代碼如下：#include<QThread>classWorkThread:publicQThread{Q_OBJECTpublic:WorkThread();protected:voidrun();};12.1

多線程及簡(jiǎn)單實(shí)例（2）在源文件“workthread.cpp”中添加具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：#include"workthread.h"#include<QtDebug>WorkThread::WorkThread(){}run()函數(shù)實(shí)際上是一個(gè)死循環(huán)，它不停地打印數(shù)字0~9。為了顯示效果明顯，程序?qū)⒚恳粋€(gè)數(shù)字重復(fù)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(jiǎn)單實(shí)例（3）在頭文件“threaddlg.h”中添加以下內(nèi)容：#include"workthread.h"#defineMAXSIZE1 //MAXSIZE宏定義了線程的數(shù)目publicslots:voidslotStart(); //槽函數(shù)用于啟動(dòng)線程voidslotStop(); //槽函數(shù)用于終止線程private:WorkThread*workThread[MAXSIZE]; //(a)12.1

多線程及簡(jiǎn)單實(shí)例（4）在源文件“threaddlg.cpp”中添加以下內(nèi)容。其中，在構(gòu)造函數(shù)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(shù)slotStart()，當(dāng)用戶單擊“開(kāi)始”按鈕時(shí)，此函數(shù)將被調(diào)用。這里使用兩個(gè)循環(huán)，目的是為了使新建的線程盡可能同時(shí)開(kāi)始執(zhí)行，其具體實(shí)現(xiàn)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(jiǎn)單實(shí)例槽函數(shù)slotStop()，當(dāng)用戶單擊“停止”按鈕時(shí)，此函數(shù)將被調(diào)用。其具體實(shí)現(xiàn)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(jiǎn)單實(shí)例（5）運(yùn)行結(jié)果如圖12.2所示。

MAXSIZE=5MAXSIZE=112.2

多線程控制實(shí)現(xiàn)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(gè)例子來(lái)說(shuō)明問(wèn)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(chǎn)生主鍵的函數(shù)creatKey()只有一條語(yǔ)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(kāi)成為以下三條機(jī)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(xiě)回主存。假設(shè)當(dāng)前的key值為0，如果線程1和線程2同時(shí)將0值載入寄存器，執(zhí)行加1操作并將加1后的值寫(xiě)回主存，則結(jié)果是兩個(gè)線程的執(zhí)行結(jié)果將互相覆蓋，實(shí)際上僅進(jìn)行了一次加1操作，此時(shí)的key值為1。12.2.1互斥量1．QMutex類QMutex類是對(duì)互斥量的處理。它被用來(lái)保護(hù)一段臨界區(qū)代碼，即每次只允許一個(gè)線程訪問(wèn)這段代碼。QMutex類的lock()函數(shù)用于鎖住互斥量。如果互斥量處于解鎖狀態(tài)，則當(dāng)前線程就會(huì)立即抓住并鎖定它，否則當(dāng)前線程就會(huì)被阻塞，直到持有這個(gè)互斥量的線程對(duì)它解鎖。線程調(diào)用lock()函數(shù)后就會(huì)持有這個(gè)互斥量，直到調(diào)用unlock()操作為止。QMutex類還提供了一個(gè)tryLock()函數(shù)。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(jiǎn)化互斥量的處理，它在構(gòu)造函數(shù)中接收一個(gè)QMutex對(duì)象作為參數(shù)并將其鎖定，在析構(gòu)函數(shù)中解鎖這個(gè)互斥量，這樣就解決了以上問(wèn)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(hào)量生產(chǎn)者/消費(fèi)者實(shí)例中對(duì)同步的需求有兩處：（1）如果生產(chǎn)者過(guò)快地生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將會(huì)覆蓋消費(fèi)者還沒(méi)有讀取的數(shù)據(jù)。（2）如果消費(fèi)者過(guò)快地讀取數(shù)據(jù)，將越過(guò)生產(chǎn)者并且讀取到一些過(guò)期數(shù)據(jù)。針對(duì)以上問(wèn)題，可以有兩種解決方法：（1）首先使生產(chǎn)者填滿整個(gè)緩沖區(qū)，然后等待消費(fèi)者讀取整個(gè)緩沖區(qū)，這是一種比較笨拙的方法。（2）使生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程同時(shí)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(hào)量【例】（難度一般）（CH1202）基于控制臺(tái)程序?qū)崿F(xiàn)。（1）源文件“main.cpp”中添加的具體實(shí)現(xiàn)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(chǎn)者類，其聲明如下：classProducer:publicQThread{public:Producer();voidrun();};12.2.2信號(hào)量Producer構(gòu)造函數(shù)中沒(méi)有實(shí)現(xiàn)任何內(nèi)容：Producer::Producer(){}Producer::run()函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)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(hào)量（3）Consumer類繼承自QThread類，作為消費(fèi)者類，其聲明如下：classConsumer:publicQThread{public:Consumer();voidrun();};Consumer構(gòu)造函數(shù)中沒(méi)有實(shí)現(xiàn)任何內(nèi)容：Consumer::Consumer(){}12.2.2信號(hào)量Consumer::run()函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)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(hào)量（4）main()函數(shù)的具體內(nèi)容如下：intmain(intargc,char*argv[]){QCoreApplicationa(argc,argv);Producerproducer;Consumerconsumer; /*啟動(dòng)生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程*/producer.start();consumer.start(); /*等待生產(chǎn)者和消費(fèi)者各自執(zhí)行完畢后自動(dòng)退出*/producer.wait();consumer.wait();returna.exec();}12.2.2信號(hào)量（5）最終運(yùn)行結(jié)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(chǎn)者和消費(fèi)者問(wèn)題。源文件“main.cpp”的具體內(nèi)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(chǎn)者線程Producer類繼承自QThread類，其聲明如下：classProducer:publicQThread{public:Producer();voidrun();};Producer構(gòu)造函數(shù)無(wú)須實(shí)現(xiàn)：Producer::Producer(){}12.2.3線程等待與喚醒Producer::run()函數(shù)的具體內(nèi)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(yǔ)句都需要使用互斥量加以保護(hù)，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(jīng)填滿。(c)bufferEmpty.wait(&mutex)：如果緩沖區(qū)已經(jīng)填滿，則等待“緩沖區(qū)有空位”（bufferEmpty變量）條件成立。wait()函數(shù)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(xiě)入一個(gè)整數(shù)值。(e)bufferFull.wakeAll()：最后喚醒等待“緩沖區(qū)有可用數(shù)據(jù)”（bufferEmpty變量）條件為“真”的線程。12.2.3線程等待與喚醒消費(fèi)者線程Consumer類繼承自QThread類，其聲明如下：classConsumer:publicQThread{public:Consumer();voidrun();};Consumer構(gòu)造函數(shù)中無(wú)須實(shí)現(xiàn)內(nèi)容：Consumer::Consumer(){}12.2.3線程等待與喚醒Consumer::run()函數(shù)的具體內(nèi)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(shù)的具體內(nèi)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(yùn)行結(jié)果如圖12.4所示。12.3

多線程應(yīng)用12.3.1【實(shí)例】：服務(wù)器編程【例】（難度中等）（CH1204）服務(wù)器編程。首先，建立服務(wù)器端工程“TimeS”。文件代碼如下。（1）在頭文件“dialog.h”中，定義服務(wù)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(biāo)簽用于顯示監(jiān)聽(tīng)端口QLabel*Label2; //此標(biāo)簽用于顯示請(qǐng)求次數(shù)QPushButton*quitBtn; //退出按鈕};12.3.1【實(shí)例】：服務(wù)器編程（2）在源文件“dialog.cpp”中，Dialog類的構(gòu)造函數(shù)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(shí)間服務(wù)器"));Label1=newQLabel(tr("服務(wù)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(shí)例】：服務(wù)器編程（3）此時(shí)運(yùn)行服務(wù)器端工程“TimeS”，界面顯示如圖12.5所示。12.3.1【實(shí)例】：服務(wù)器編程（4）在服務(wù)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(shí)現(xiàn)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(xiě)此虛函數(shù)signals:voiderror(QTcpSocket::SocketErrorsocketError); //出錯(cuò)信號(hào)private:intsocketDescriptor; //套接字描述符};12.3.1【實(shí)例】：服務(wù)器編程（5）在源文件“timethread.cpp”中，TimeThread類的構(gòu)造函數(shù)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(shí)例】：服務(wù)器編程TimeThread::run()函數(shù)是工作線程（TimeThread）的實(shí)質(zhì)所在，當(dāng)在TimeServer::ingConnection()函數(shù)中調(diào)用了thread->start()函數(shù)后，此虛函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行，其具體代碼如下：voidTimeThread::run(){QTcpSockettcpSocket; //創(chuàng)建一個(gè)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(dāng)前時(shí)間傳回客戶端

tcpSocket.disconnectFromHost(); //斷開(kāi)連接

tcpSocket.waitForDisconnected(); //等待返回}12.3.1【實(shí)例】：服務(wù)器編程（6）在服務(wù)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)TCP服務(wù)器端，類TimeServer繼承自QTcpServer類，其具體代碼如下：#include<QTcpServer>classDialog; //服務(wù)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(shí)例】：服務(wù)器編程（7）在源文件“timeserver.cpp”中，構(gòu)造函數(shù)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(xiě)的虛函數(shù)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(shí)例】：服務(wù)器編程（8）在服務(wù)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(shù)用于界面上顯示的請(qǐng)求次數(shù)private:TimeServer*timeServer; //TCP服務(wù)器端timeServerintcount; //請(qǐng)求次數(shù)計(jì)數(shù)器count12.3.1【實(shí)例】：服務(wù)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(gòu)造函數(shù)中添加的內(nèi)容，用于啟動(dòng)服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)，其具體實(shí)現(xiàn)如下：count=0;timeServer=newTimeServer(this);if(!timeServer->listen()){QMessageBox::critical(this,tr("多線程時(shí)間服務(wù)器"),tr("無(wú)法啟動(dòng)服務(wù)器：%1.").arg(timeServer->errorString()));close();return;}Label1->setText(tr("服務(wù)器端口：%1.").arg(timeServer->serverPort()));在源文件“dialog.cpp”中，槽函數(shù)slotShow()的具體內(nèi)容如下：voidDialog::slotShow(){Label2->setText(tr("第%1次請(qǐng)求完畢。").arg(++count));}12.3.1【實(shí)例】：服務(wù)器編程（10）在服務(wù)器端工程文件“TimeS”中添加如下代碼：QT+=network（11）最后運(yùn)行服務(wù)器端工程“TimeS”，結(jié)果如圖12.6所示。12.3.2【實(shí)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(shí)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(gòu)造函數(shù)完成了初始化界面，其具體代碼。在源文件“timeclient.cpp”中，enableGetBtn()函數(shù)的具體代碼如下：voidTimeClient::enableGetBtn(){getBtn->setEnabled(!serverNameLineEdit->text().isEmpty()&&!portLineEdit->text().isEmpty());