Linux Qt使用POSIX多线程条件变量、互斥锁(量)

今天团建，但是文章也要写。酒要喝好，文要写美，方为我辈程序员的全才之路。嘎嘎

之前一直在看POSIX的多线程编程，上个周末结合自己的理解，写了一个基于Qt的用条件变量同步线程的例子。故此来和大家一起分享，希望和大家一起交流。

提到线程，如果在UI编程中，总会和一些耗时操作联系在一起。Qt中处理耗时操作通常有两种方式，一种是将耗时操作放在线程中；另一种则是使用QApplication::processEvents()，防止阻塞UI。从更加通用的角度来讲，我是更倾向于线程的，但对于很多初学者来讲，线程还是有一定难度的。比如说需要对线程间共享的数据提供保护，使用互斥量同步、使用条件变量、使用读写锁同步等；各种同步方式用在什么情况下，开始编程时多线程使用的并不多，无法切身体会到这些问题，后来程序写的多了一点儿，慢慢接触到一些多线程的东西，并且自己也可以学习了相关知识，并用到实际程序中。好了，下面以一个实际的例子为背景，来说明Linux POSIX多线程的一些特性。

程序环境：ubuntu 14.04、 Qt 5.5.1、 Posix多线程(C的用法)

这里简单说下我为什么用Linux C的多线程，因为Qt的多编程对于一些线程的终止时含糊不清楚的，并且一个线程被终止后的资源是无法被清理的，所以我选择是相对底层的一些用法，以后有机会我还会添加线程取消和线程退出的操作。

我自己设定的场景是这样的，在UI主线程中通过界面手动向一个线程间共享的队列中push数据，而另外开启的一个线程则一直在while中pop数据，这算是一个变种的生产者和消费者模式吧。

至于条件变量、互斥量(也就是互斥锁)的初始化在这里不再详细说明，只说明一些相对重要的地方。

1. UI中向队列push数据(生产者生产数)

这是一个槽函数，当在lineEdit中回车后，则会触发该槽函数，由于该队列是线程间的 共享数据，所以使用了互斥锁进行保护，即该槽操作数据的过程中如果有其他线程想要操作数据，则其他线程则会被阻塞，即访问一个已经被加锁的互斥量的线程会被阻塞。

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. 消费者线程pop数据

该线程使用的是Qt的moveToThread方法创建的线程，这里注意的是，整个类都运行在新的线程中。该槽函数随着线程的启动信号(start())发射后而一直进行while循环。首先对互斥量上锁，之后判断谓词状态，如果队列为空，则等待条件变量。等待条件变量时pthread_cond_wait()会自动释放互斥锁，这样其他线程才能够操作共享数据。从条件变量等待中醒来后，会再次获得互斥锁，以操作共享数据。共享数据被操作完成后，再次释放互斥锁。这是我们使用条件变量等待的一个操作流程，如果我们不使用条件变量等待会是怎样的呢？

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
        {
//使用条件变量等待
            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. 不使用条件变量等待

①不使用条件变量等待

如果不使用条件变量等待，则消费者线程在很大一部时间内几乎都是在执行 while(1)无限循环，这是很占用CPU资源的，在ubuntu下，使用htop查看的效果 如下：

屏蔽status = pthread_cond_wait(&m_structCondition.cond,

&m_structCondition.mutex);

我们看到，此时CPU是满负荷在运行的，这当然不是一个程序所应有的正常状态。

②使用条件变量的结果

此时我们看到CPU的占用率是很低的，这也是为什么使用条件变量的原因之一，让不满足的条件的线程挂起，而不是在浪费CPU资源。条件变量是 允许使用队列的线程之间交换队列状态信息的机制。那么当我们还没有掌握线程条件变量的用法时，又遇到这种情况时，该怎么做呢？简单，加个5ms的延时即可，5ms对我们来讲时间极短极短，但对计算机来讲，已经挺长时间了。

最后，当我们关掉UI窗口时，会有这样一句消息：

QThread: Destroyed while thread is still running

线程正在运行时就被破坏了，这个我们接下来会说，那就是如何退出线程、终止线程以及取消线程等操作了。

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