怎么使用QSemaphore进行多线程数据同步

这篇文章主要讲解了“怎么使用QSemaphore进行多线程数据同步”，文中的讲解内容简单清晰，易于学习与理解，下面请大家跟着小编的思路慢慢深入，一起来研究和学习“怎么使用QSemaphore进行多线程数据同步”吧！

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20210127：在生产者、消费者的方法中添加线程挂起方法QThread::usleep(10)，使ui不卡。

20210128：在添加Track类（保存生产者Producer生成的每组数据），在ui界面中使用model-view同步显示生产者生成的数据，model-view不会对主线程造成卡顿。对消费者同样创建view，还没有进行model绑定。

避免引起主线程的阻塞，Qt在子线程中处理大数据，当多个子线程需要处理同一块数据时，需要使用数据同步，避免出现调用错乱情况，在这里我们在两个子线程使用QSemaphore作为标志位，对数组进行标识，生产者线程将生成的资源存入数组，消费者数组消耗数组内的资源，当有一方的速度过快导致数组资源耗尽时，该子线程被阻塞，直到有资源时子线程继续。代码如下：

在全局变量中声明数组、数组大小、资源总量：

constant_variable.h

#ifndef CONSTANT_VARIABLE_H
#define CONSTANT_VARIABLE_H

// 所有变量在h文件中均是声明，定义在cpp文件中

/*****************************************************************************************
  @copyright 2013-2020
  @author    qiaowei
  @contact   weiweiqiao@126.com
  @version   1.0
  @date      2021-01-24
  @brief     h文件声明extern变量，cpp文件定义变量
******************************************************************************************/

#include 

/***************************************************************************
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  @author    qiaowei
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  @version   1.0
  @date      2021-01-24
  @brief     设置循环保存数据的数组大小，相当于设置“缓存”大小
***************************************************************************/
extern const int BUFFER_SIZE;

/***************************************************************************
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  @date      2021-01-24
  @brief     要读取的总资源数量，数据量大，无法一次读取完，需要长时间，分批读取
***************************************************************************/
extern const int DATA_SIZE;

/***************************************************************************
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  @author    qiaowei
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  @date      2021-01-24
  @brief     循环使用，保存数据资源的数组
***************************************************************************/
extern char BUFFER[];

/***************************************************************************
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  @date      2021-01-24
  @brief     标识Producer可以保存资源的空余位置的数量，保存在数组中的数据量，因为初
             始状态数组中没有任何数据，数组有DATA_SIZE个资源可用
***************************************************************************/
extern QSemaphore PRODUCER_SPACE;

/***************************************************************************
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  @contact   weiweiqiao@126.com
  @date      2021-01-24
  @brief     标识Consumer可以使用的已保存资源的数量，因为初始时没有数据可供Consumer
             使用，初始资源有0个
***************************************************************************/
extern QSemaphore CONSUMER_SPACE;

#endif // CONSTANT_VARIABLE_H

constant_variable.cpp

#include "constant_variable.h"

const int BUFFER_SIZE(4096);

const int DATA_SIZE(100000);

// 定义数组大小为BUFFER_SIZE
char BUFFER[BUFFER_SIZE];

// 初始时可用资源位BUFFER_SIZE
QSemaphore PRODUCER_SPACE(BUFFER_SIZE);

QSemaphore CONSUMER_SPACE(0);

创建窗体：

Producer按钮生成资源，保存到数组中，在左侧文本框中显示Producer所在的线程及生成的资源。Consumer按钮消耗数组中的资源，在左侧文本框中显示Consumer所在的线程及消耗的资源。这两个按钮是单独运行。Both_start_PushButton按钮同时启动两个子线程，一个生产资源，一个消耗资源，生产和消耗的都在左边的文本框中显示。

窗口代码如下：

producer_consumer_dialog.ui 代码：

 Producer_consumer_dialog
 
  
   
    0
    0
    722
    451
   
  
  
   Dialog
  
  
   
    
     
      
     
     
      
       
        
         
          Producer
         
        
       
       
        
         
          Qt::Vertical
         
         
          QSizePolicy::Expanding
         
         
          
           20
           40
          
         
        
       
      
     
     
      
     
    
   
   
    
     
      
     
     
      
       
        
         
          Consumer
         
        
       
       
        
         
          Qt::Vertical
         
         
          
           20
           40
          
         
        
       
      
     
     
      
     
    
   
   
    
     
      
       
        Qt::Horizontal
       
       
        
         348
         20
        
       
      
     
     
      
       
        Both_start_PushButton
       
      
     
    
   
  
 
 
 

producer_consumer_dialog.h 文件：

#ifndef PRODUCER_CONSUMER_DIALOG_H
#define PRODUCER_CONSUMER_DIALOG_H

#include 
#include 

QT_BEGIN_NAMESPACE
class Producer_move_to_thread;
class Consumer_move_to_thread;
class Producer_table_model;
//class QCloseEvent;
QT_END_NAMESPACE

namespace Ui {
class Producer_consumer_dialog;
}

/*****************************************************************************************
  @copyright 2013-2020
  @author    qiaowei
  @contact   weiweiqiao@126.com
  @version   1.0
  @date      2021-01-27
  @brief     创建主窗口，生成创造者producer，并在子线程-1生产资源。生成消费者consumer，并在子线程-2消耗生
             产资源。资源均存储在BUFFER[]中
******************************************************************************************/
class Producer_consumer_dialog : public QDialog
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit Producer_consumer_dialog(QWidget *parent = nullptr);
    ~Producer_consumer_dialog();

protected:
    virtual void closeEvent(QCloseEvent* ev);

private:
    /***************************************************************************
     @author   qiaowei
     @contact  weiweiqiao@126.com
     @version  1.0
     @date     2021-01-27
     @brief    初始化窗体控件
    ***************************************************************************/
    void init_widgets();

    /***************************************************************************
     @author   qiaowei
     @contact  weiweiqiao@126.com
     @version  1.0
     @date     2021-01-27
     @brief    初始化私有变量，将producer_，consumer_放入各自的子线程
    ***************************************************************************/
    void init_instances();

    /***************************************************************************
     @author   qiaowei
     @contact  weiweiqiao@126.com
     @version  1.0
     @date     2021-01-27
     @brief    实例化信号槽
    ***************************************************************************/
    void init_connections();

private slots:
    /***************************************************************************
     @author   qiaowei
     @contact  weiweiqiao@126.com
     @version  1.0
     @date     2021-01-27
     @brief    将字符串content设置到文本框producer_plainTextEdit
     @param    content 字符串
    ***************************************************************************/
    void set_producer_plain_text(quint32 serial_number, quint64 thread_id, char ch);

    /***************************************************************************
     @author   qiaowei
     @contact  weiweiqiao@126.com
     @version  1.0
     @date     2021-01-27
     @brief    将字符串content设置到文本框consumer_plainTextEdit
     @param    content 字符串
    ***************************************************************************/
    void set_consumer_plain_text(QString content);

private:
    Ui::Producer_consumer_dialog *ui;

    Producer_move_to_thread* producer_;
    Consumer_move_to_thread* consumer_;

    QThread producer_thread_;
    QThread consumer_thread_;

    /***************************************************************************
     @author   qiaowei
     @contact  weiweiqiao@126.com
     @version  1.0
     @date     2021-01-28
     @brief    消费者产生数据对应的模型
    ***************************************************************************/
    Producer_table_model* producer_table_model_;
};

#endif // PRODUCER_CONSUMER_DIALOG_H

producer_consumer_dialog.cpp文件：

#include "producer_consumer_dialog.h"
#include "ui_producer_consumer_dialog.h"

#include "producer_move_to_thread.h"
#include "consumer_move_to_thread.h"
#include "producer_table_model.h"

Producer_consumer_dialog::Producer_consumer_dialog(QWidget *parent) :
    QDialog(parent),
    ui(new Ui::Producer_consumer_dialog)
{
    ui->setupUi(this);

    init_widgets();
    init_instances();
    init_connections();
}

Producer_consumer_dialog::~Producer_consumer_dialog()
{
    delete producer_;
    delete consumer_;
    delete producer_table_model_;

    delete ui;
}

void Producer_consumer_dialog::closeEvent(QCloseEvent *ev)
{
//    QThread::sleep(3);
    if ( producer_thread_.isRunning()) {
        producer_thread_.quit();
        producer_thread_.wait();
    }

    if ( consumer_thread_.isRunning()) {
        consumer_thread_.quit();
        consumer_thread_.wait();
    }

    QDialog::closeEvent(ev);
}

void Producer_consumer_dialog::init_widgets()
{
//    setFixedSize(sizeHint());
    resize(sizeHint());
}

void Producer_consumer_dialog::init_instances()
{
    producer_ = new Producer_move_to_thread();
    producer_->moveToThread(&producer_thread_);
    producer_thread_.start();

    consumer_ = new Consumer_move_to_thread();
    consumer_->moveToThread(&consumer_thread_);
    consumer_thread_.start();

    producer_table_model_ = new Producer_table_model();
    ui->producer_tableView->setModel(producer_table_model_);
}

void Producer_consumer_dialog::init_connections()
{
    connect(ui->producer_pushButton,
            &QPushButton::clicked,
            producer_,
            &Producer_move_to_thread::create_char_in_thread);

    connect(ui->consumer_pushButton,
            &QPushButton::clicked,
            consumer_,
            &Consumer_move_to_thread::create_char_in_thread);

    connect(ui->both_start_pushButton,
            &QPushButton::clicked,
            ui->producer_pushButton,
            &QPushButton::clicked);

    connect(ui->both_start_pushButton,
            &QPushButton::clicked,
            ui->consumer_pushButton,
            &QPushButton::clicked);

    // 获取producer_生成的字符串
    connect(producer_,
            &Producer_move_to_thread::signal_index_id_content,
            this,
            &Producer_consumer_dialog::set_producer_plain_text);

    connect(producer_,
            &Producer_move_to_thread::signal_index_id_content,
            producer_table_model_,
            &Producer_table_model::add_data_to_track_list);

    // 获取consumer_取得的字符串
    connect(consumer_,
            &Consumer_move_to_thread::signal_string,
            this,
            &Producer_consumer_dialog::set_consumer_plain_text);
}

void Producer_consumer_dialog::set_producer_plain_text(quint32 serial_number, quint64 thread_id, char ch)
{
    QString content =
            QString("%1: Producer thread id: %2, char: %3").
            arg(serial_number).
            arg(thread_id).
            arg(ch);
    ui->producer_plainTextEdit->appendPlainText(content);
//    ui->producer_plainTextEdit->setPlainText(content);
}

void Producer_consumer_dialog::set_consumer_plain_text(QString content)
{
    ui->consumer_plainTextEdit->appendPlainText(content);
//    ui->consumer_plainTextEdit->setPlaceholderText(content);
}

生产类

producer_move_to_thread.h 文件：

#ifndef PRODUCER_MOVE_TO_THREAD_H
#define PRODUCER_MOVE_TO_THREAD_H

#include 

/*****************************************************************************************
  @copyright 2013-2020
  @author    qiaowei
  @contact   weiweiqiao@126.com
  @version   1.0
  @date      2021-01-28
  @brief     生产者，会被移动到子线程中产生资源
******************************************************************************************/
class Producer_move_to_thread : public QObject
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit Producer_move_to_thread(QObject *parent = nullptr);
    ~Producer_move_to_thread();

signals:
//    void signal_string(quint32 serial_number, quint64 thread_id, char ch);

    void signal_index_id_content(quint32 index, int id, char ch);

public slots:
    void create_char_in_thread();
};

#endif // PRODUCER_MOVE_TO_THREAD_H

producer_move_to_thread.cpp 文件：

#include 
#include 
#include 
#include "producer_move_to_thread.h"
#include "constant_variable.h"

Producer_move_to_thread::Producer_move_to_thread(QObject* parent):
    QObject(parent)
{

}

Producer_move_to_thread::~Producer_move_to_thread()
{

}

void Producer_move_to_thread::create_char_in_thread()
{
    for (int index(0); DATA_SIZE != index; ++index) {
        // 生产1个资源（总共要产生的DATA_SZIE个资源），然后保存到BUFFER数组，BUFFER数组空余位置少1个
        PRODUCER_SPACE.acquire(1);

        // 计算获取资源序号、线程号、数据资源
        quint32 serial_number = (quint32) (index + 1);
        quint64 thread_id = (quint64) QThread::currentThreadId();
        char ch = "ABCDXYZ"[uint(std::rand()) % 7];
        BUFFER[index % BUFFER_SIZE] = ch;

        qDebug()<< "Produce thread id: " << thread_id
                << ", char: " <<  ch;

        // 将数据传给窗体Producer_consumer_dialog
//        emit signal_string(serial_number, thread_id, ch);

        emit signal_index_id_content(serial_number, thread_id, ch);

        // 线程挂起，不对主线程造成卡顿
        QThread::usleep(10);

        // 数组中已保存1个字符，Consumer获取1个可用资源
        CONSUMER_SPACE.release(1);
    }
}

资源消耗类

consumer_move_to_thread.h 文件：

#ifndef CONSUMER_MOVE_TO_THREAD_H
#define CONSUMER_MOVE_TO_THREAD_H

#include 

class Consumer_move_to_thread : public QObject
{
    Q_OBJECT
public:
    explicit Consumer_move_to_thread(QObject *parent = nullptr);

signals:
    void signal_string(QString content);

public slots:
    void create_char_in_thread();
};

#endif // CONSUMER_MOVE_TO_THREAD_H

consumer_move_to_thread.cpp文件：

#include 
#include 
#include "consumer_move_to_thread.h"
#include "constant_variable.h"

Consumer_move_to_thread::Consumer_move_to_thread(QObject *parent) :
    QObject(parent)
{

}

void Consumer_move_to_thread::create_char_in_thread()
{
    for (int index(0); DATA_SIZE != index; ++index) {
        // 消耗1个资源（总共要消耗DATA_SZIE个资源），从BUFFER数组中取出，BUFFER数组空余位置多1个。当
        // 没有资源提供时，进程被挂起，待有足够资源后再执行后续程序
        CONSUMER_SPACE.acquire(1);

        qDebug()<< "Consumer thread id: " << (quint64) QThread::currentThreadId()
                << ", char: " << (char) BUFFER[index % BUFFER_SIZE];

        QString content =
                QString("%1: Consumer thread id: %2, char: %3").
                arg(index + 1).
                arg((quint64) QThread::currentThreadId()).
                arg(BUFFER[index % BUFFER_SIZE]);

        emit signal_string(content);
        //线程挂起，不对主线程造成卡顿
        QThread::usleep(10);

        // 使用数组中1个资源，数组释放1个空间，给生产者提供1个空余位置
        PRODUCER_SPACE.release(1);
    }
}

保存生产者生成的数据Track类：

Track.h

#ifndef TRACK_H
#define TRACK_H

#include 

/*****************************************************************************************
  @copyright 2013-2020
  @author    qiaowei
  @contact   weiweiqiao@126.com
  @version   1.0
  @date      2021-01-28
  @brief     数据类，保存随机生成的资源
******************************************************************************************/
class Track
{
public:
    /***************************************************************************
     @author   qiaowei
     @contact  weiweiqiao@126.com
     @version  1.0
     @date     2021-01-28
     @brief    构造函数
     @param    index 数据的生成序列号
     @param    thread_id 生成数据的线程号
     @param    ch 生成的资源数据
    ***************************************************************************/
    explicit Track(quint32 index = 0, quint64 thread_id = 0, char ch = 'A');
    ~Track();

    /***************************************************************************
     @author   qiaowei
     @contact  weiweiqiao@126.com
     @version  1.0
     @date     2021-01-28
     @brief    拷贝构造函数
    ***************************************************************************/
    Track(const Track& r_value);

    /***************************************************************************
     @author   qiaowei
     @contact  weiweiqiao@126.com
     @version  1.0
     @date     2021-01-28
     @brief    赋值操作符
    ***************************************************************************/
    Track& operator = (const Track& r_value);

    quint32 get_index() const;

    quint64 get_thread_id() const;

    char get_char() const;

private:
    quint32 index_;
    quint64 thread_id_;
    char char_;
};

#endif // TRACK_H

Track.cpp

#include "track.h"


Track::Track(quint32 index, quint64 thread_id, char ch):
    index_(index),
    thread_id_(thread_id),
    char_(ch)
{

}

Track::~Track()
{

}

Track::Track(const Track &r_value)
{
    index_ = r_value.index_;
    thread_id_ = r_value.thread_id_;
    char_ = r_value.char_;
}

Track &Track::operator =(const Track &r_value)
{
    if (this != &r_value) {
        index_ = r_value.index_;
        thread_id_ = r_value.thread_id_;
        char_ = r_value.char_;
    }

    return *this;
}

quint32 Track::get_index() const
{
    return index_;
}

quint64 Track::get_thread_id() const
{
    return thread_id_;
}

char Track::get_char() const
{
    return char_;
}

生产者模型Produer_table_model类：

Produer_table_model.h

#ifndef PRODUCER_TABLE_MODEL_H
#define PRODUCER_TABLE_MODEL_H

#include 
#include 
#include "track.h"

/*****************************************************************************************
  @copyright 2013-2020
  @author    qiaowei
  @contact   weiweiqiao@126.com
  @version   1.0
  @date      2021-01-28
  @brief
******************************************************************************************/
class Producer_table_model : public QAbstractTableModel
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit Producer_table_model(QObject* parent = nullptr);
    ~Producer_table_model();

    void add_data_to_track_list(quint32 serial_number, quint64 thread_id, char ch);

    QList* get_track_list();

protected:
    virtual int rowCount(const QModelIndex &parent = QModelIndex()) const;

    virtual int columnCount(const QModelIndex& parent = QModelIndex()) const;

    virtual QVariant data(const QModelIndex &index, int role = Qt::DisplayRole) const;

    virtual QVariant headerData(int section, Qt::Orientation orientation, int role = Qt::DisplayRole) const;

private:
    QList* track_list_;
};

#endif // PRODUCER_TABLE_MODEL_H

Produer_table_model.cpp

#include "producer_table_model.h"

Producer_table_model::Producer_table_model(QObject* parent):
    QAbstractTableModel(parent),
    track_list_(new QList())
{

}

Producer_table_model::~Producer_table_model()
{
    delete track_list_;
}

void Producer_table_model::add_data_to_track_list(quint32 serial_number, quint64 thread_id, char ch)
{
    track_list_->append(Track(serial_number, thread_id, ch));

    QModelIndex header_model_index = createIndex(serial_number - 1, 0);
    QModelIndex tail_model_index = createIndex(serial_number - 1, 2);

    layoutChanged();
}

QList *Producer_table_model::get_track_list()
{
    return track_list_;
}

int Producer_table_model::rowCount(const QModelIndex &parent) const
{
    Q_UNUSED(parent)

    if ( track_list_) {
        return track_list_->count();
    } else {
        return 0;
    }
}

int Producer_table_model::columnCount(const QModelIndex &parent) const
{
    Q_UNUSED(parent)

//    // 序号、线程号、数据资源
//    return 3;

    // 线程号、数据资源
    return 2;
}

QVariant Producer_table_model::data(const QModelIndex &index, int role) const
{
    if ( !index.isValid()) {
        return QVariant();
    }

    QVariant v;
    if (Qt::DisplayRole == role) {
        switch (index.column()) {
        case 0:
            v = track_list_->at(index.row()).get_thread_id();
            break;

        case 1:
            v = (QChar) track_list_->at(index.row()).get_char();
            break;
        }

        return v;
    }



    return QVariant();
}

QVariant Producer_table_model::headerData(int section, Qt::Orientation orientation, int role) const
{
    if ((Qt::DisplayRole == role) &&
            (Qt::Horizontal == orientation)) {

        QString header_content;
        switch (section) {
        case 0:
            header_content = tr("线程号");
            break;

        case 1:
            header_content = tr("数据");
            break;
        }

        return header_content;
    }

    return QAbstractTableModel::headerData(section, orientation, role);
}

在这里特别注意PRODUCER_SPACE和CONSUMER_SPACE的初始值，因为资源BUFFER数组初始资源为0，所以生产者Producer可用的数组空间为所有，消耗着Consumer可用的数组空间为0，因为没有资源可用。

运行结果如下图：

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