[C++ QT项目实战]----C++ QT系统实现多线程通信

前言

        在C++ QT中，多线程通信原理主要涉及到信号与槽机制和事件循环机制。

        1、信号与槽机制：
        在QT中，信号与槽是一种用于对象间通信的机制。对象可以通过发送信号来通知其他对象，其他对象通过连接槽来接收信号并进行相应的处理。这个机制可以跨线程使用，即一个线程可以发送信号，另一个线程可以接收信号。

        在使用多线程时，通过将一个对象的信号与另一个对象的槽连接起来，可以在不同线程中进行通信。当信号发出时，QT会在接收对象所在的线程中调用槽函数，从而实现多线程之间的通信。

        2、事件循环机制：
        在QT中，每个线程都有自己的事件循环。事件循环是处理事件的机制，包括用户输入、定时器事件等。当一个线程启动时，会进入事件循环，等待事件发生并处理事件。

        在多线程通信中，通常会涉及到在不同线程之间传递事件。通过在一个线程中发出事件，另一个线程中的事件循环可以接收并处理这个事件，从而实现线程间的通信。

        总的来说，C++ QT中的多线程通信原理是通过信号与槽机制和事件循环机制来实现的。通过使用这两种机制，可以在不同线程之间进行通信，并实现多线程之间的协作。但需要注意线程安全性，避免出现竞态条件和线程安全问题。

正文

01-功能演示

        如下图所示，第一张图，是经过运行之后，进入主界面，会同时显示后台信息，黑色的控制台界面就是线程运行信息，是否有两个线程也可以查看，主界面可以通过控件控制进程运行状态。        

        注：系统资源竞态是指多个线程或进程在对共享资源进行访问时，由于执行顺序不确定或未正确同步，导致竞争条件发生，从而导致数据不一致或程序出现错误的现象。

        当多个线程同时访问共享资源时，如果没有使用适当的同步机制来确保每个线程对资源的访问顺序，就可能引发系统资源竞态。系统资源竞态会导致一些严重问题，包括但不限于以下几点：

        数据不一致性：如果多个线程同时访问共享数据但没有正确同步，可能会导致数据不一致的情况。例如，一个线程正在修改数据的同时，另一个线程也在读取或修改相同的数据，可能会导致数据错误或不一致。

        资源泄漏：当多个线程同时竞争资源而没有正确释放资源，可能会导致资源泄漏。例如，并发写入文件时，如果某个线程在写入文件后未正确关闭文件句柄，可能会导致文件描述符泄漏。

        死锁：系统资源竞态还可能导致死锁的发生。当两个或多个线程相互等待对方释放资源时，可能导致所有参与的线程无法继续正常执行，从而导致程序挂起。

        因此，在采用系统多线程运行时，一定要使用一些方法防止资源竞争，可以采取以下几种措施：a、使用互斥量（Mutex）或信号量（Semaphore）等同步机制，在访问共享资源时确保只有一个线程可以访问；b、 使用临界区（Critical Section）来限制对共享资源的访问，确保线程之间的同步；c、使用条件变量（Condition Variable）在需要等待某个条件满足时进行线程等待和唤醒。

        这里的系统使用的是数据库进行资源交换和读取等，线程之间互不干扰，不存在线程竞争问题。

         下面是主线程和子线程之间通信的几个案例，也是系统中运行产生的，如下图所示，系统改为手动模式，首先点击打开配置文件按钮，可以看出控制台运行信息为“配置文件config.ini已打开!”，点击平台数据读取按钮，显示下方运行信息，这就是主线程和子线程之间的交互信息，可以通过QT中信号与槽函数的形式实现。

        下面重点分析如何实现，并附代码解释。

02-系统多线程实现

        这里讲解四个实现函数文件，其实是两个文件：mainwindow.h和mainwindow.cpp文件为主线程文件，Zanj_WFC_ctrl.h和Zanj_WFC_ctrl.cpp文件为子线程文件，下面一一解释。

        mainwindow.cpp文件

        (1)、该文件用于实现显示主线程中的主界面，也就是运行之后，第一个界面，可以在界面上进行操作，后台信息是由于spdlog日志信息的导入，才会进行信息显示，便于观察，#include "spdlog/spdlog.h"，代码中下面这一部分就是建立子线程的核心，QT中可以使用moveToThread()函数建立新线程。具体介绍如下：

        a、m_Zanj_WFC_ctrl = new Zanj_WFC_ctrl;// 这个实例要负责预报计算任务
        b、m_Zanj_WFC_ctrl_Thread = new QThread; // 子线程，本身不负责预报计算
        c、connectZanj_WFC_ctrl(m_Zanj_WFC_ctrl); // 连接信号-槽，复制的开始和取消指令是通过信号发送的
        d、m_Zanj_WFC_ctrl->moveToThread(m_Zanj_WFC_ctrl_Thread);// 将实例移动到新的线程，实现多线程运行
        e、m_Zanj_WFC_ctrl_Thread->start();

        (2)、函数connectZanj_WFC_ctrl()用于连接子线程函数，里面有该函数实现的功能，使用connect()函数编写代码： connect(this, SIGNAL(system_predict_init_link()), m_Zanj_WFC_ctrl, SLOT(HDGL_SYSTEM_Init()));这个函数HDGL_SYSTEM_Init()在子线程中实现，也就是说只要主线程启动，子线程也会跟着启动，可以在该函数中实现子线程的功能。

        (3)、上述描述的主线程与子线程通信的案例中的实现过程如下：也是通过信号与槽函数方式，比如打开配置文件函数，首先对该函数进行实现on_Open_config_Btn_clicked()，该函数就是打开配置文件控件对应的函数，该函数实现了点击按钮之后，发送了信号emit send_config();该信号通过connect()函数发送到子线程，代码为connect(this, &MainWindow::send_config, m_Zanj_WFC_ctrl, &Zanj_WFC_ctrl::OnconfigSlot);OnconfigSlot()函数在子线程中实现。

        原理就是这样，虽有些繁琐，但是逻辑性强。另一个读取数据按钮原理一样。

#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"
#include "Zanj_WFC_ctrl.h"
#include "qdebug.h"
#include <qstring.h>

#include "cglobal.h"
#include <QElapsedTimer>
#include <iostream>
#include "windows.h"
#pragma comment(lib,".\\lib\\fmtd.lib")

#include "spdlog/fmt/ostr.h"
#include "spdlog/spdlog.h"
#include "spdlog/sinks/daily_file_sink.h"
#include "spdlog/sinks/stdout_color_sinks.h"
#include "spdlog/sinks/rotating_file_sink.h"


#include  <QTimer>
#include  <time.h>
#include  <QLabel>
#include  <QValueAxis>
#include  <QMargins>
#include  <QtWidgets/QApplication>
#include  <QtWidgets/QMainWindow>

#include <ctime>  

using namespace std::literals;
using namespace std;
namespace spd = spdlog;
auto console_mainWindow = spd::stdout_color_mt("主界面控制台");
auto rotating_logger_mainWindow = spdlog::rotating_logger_mt("CAO8_Winmain_rotating", "logs/CAO8_rotating.logger", 1048576 * 5, 12);

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) :
	QMainWindow(parent),
	ui(new Ui::MainWindow)
{
	ui->setupUi(this);
	setWindowTitle(QString::fromLocal8Bit("主系统")); // 此处写应用程序在标题栏上显示的名称
	setStyleSheet("background - color:pink; ");
	reshow();
	data_log_tblview();
	console_mainWindow->info("欢迎进入主系统UI线程[Mainwindow]!");
	rotating_logger_mainWindow->info("欢迎进入主系统UI线程[Mainwindow]!");
	 

	m_Zanj_WFC_ctrl = new Zanj_WFC_ctrl;// 这个实例要负责预报计算任务
	m_Zanj_WFC_ctrl_Thread = new QThread; // 子线程，本身不负责预报计算
	connectZanj_WFC_ctrl(m_Zanj_WFC_ctrl); // 连接信号-槽，复制的开始和取消指令是通过信号发送的
	m_Zanj_WFC_ctrl->moveToThread(m_Zanj_WFC_ctrl_Thread);// 将实例移动到新的线程，实现多线程运行
	m_Zanj_WFC_ctrl_Thread->start();

	emit system_predict_init_link();

	
	// 向子线程发送打开配置文件信息
	connect(this, &MainWindow::send_config, m_Zanj_WFC_ctrl, &Zanj_WFC_ctrl::OnconfigSlot);
	// 向子线程发送读取数据信号，子线程接收后，进行数据读取
	connect(this, &MainWindow::send_rChk_ToWFC, m_Zanj_WFC_ctrl, &Zanj_WFC_ctrl::OnGETSlot);

}

MainWindow::~MainWindow()
{
	delete ui;
}

// 这里连接子线程，进行子线程的开启，子线程连接数据库，连接大数据平台，打开所需文件的信号传递，以及MainWindow界面槽函数处理信号的实现
void MainWindow::connectZanj_WFC_ctrl(Zanj_WFC_ctrl * m_Zanj_WFC_ctrl)
{
	connect(this, SIGNAL(system_predict_init_link()), m_Zanj_WFC_ctrl, SLOT(HDGL_SYSTEM_Init()));// 使用信号-槽机制，发出开始指令

}

// 打开配置文件函数
void MainWindow::on_Open_config_Btn_clicked()
{
	ui->Iplate4j_IP_QLE->setText("127.0.0.1");
	ui->model_PC_IP_QLE->setText("127.0.0.1");
	emit send_config();
}

// 由主窗口发送数据读取信号，子线程实现数据读取操作
void MainWindow::on_Restful_data_read_Btn_clicked()
{
	emit send_rChk_ToWFC();

}
        mainwindow.h文件

        该文件就是.cpp文件中众多函数的声明，以及信号的声明，比如读取数据时发送的信号需要在这里声明一下，便于使用。Zanj_WFC_ctrl * m_Zanj_WFC_ctrl; // 预报计算的类
    QThread * m_Zanj_WFC_ctrl_Thread; //将被移动到此线程执行，这里也定义了指针，用于在.cpp文件中使用。

#ifndef MAINWINDOW_H
#define MAINWINDOW_H
#include"ui_mainwindow.h"
#include <QMainWindow>
#include <QLabel>
#include <QtSql/QtSql>

#include "spdlog/fmt/ostr.h"
#include "Zanj_WFC_ctrl.h"
#include <QVariant>
#include "wfc_to_main.h"

#include <QtSql/QtSql>
#include <QDateTime>
#include <QTimer>
#include <qtextcodec.h> 
#include <QtWidgets/QApplication>
#include <QtWidgets/QMainWindow>

#include <QMouseEvent>
//一定要声明！！！
#include"dialog_data_log.h"
//#include<vector>

//#include "dialog_data_log.h"
namespace Ui {
	class MainWindow;
}

class MainWindow : public QMainWindow
{
	Q_OBJECT

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

	Zanj_WFC_ctrl * m_Zanj_WFC_ctrl; // 预报计算的类
	QThread * m_Zanj_WFC_ctrl_Thread; //m_Mp_Pred将被移动到此线程执行
	void connectZanj_WFC_ctrl(Zanj_WFC_ctrl *m_Zanj_WFC_ctrl);

private slots :

	void on_Restful_data_read_Btn_clicked();   //点击平台数据读取按钮，实现读取数据信号发送	
	void on_Open_config_Btn_clicked();


signals:
	
	void system_predict_init_link();//定义向子线程发送的信号，用于实现子线程开启
    void send_config();      // 定义向子线程发送打开配置文件的信号
	void send_rChk_ToWFC();  // 定义向子线程发送数据读取的信号
	
private:
	Ui::MainWindow *ui;

	QLabel * pLabel;

};

#endif // MAINWINDOW_H
        Zanj_WFC_ctrl.cpp文件

        (1)、该文件中的众多函数就是对主线程发送的信号的实现过程，当接受到主线程的信号之后，如果需要对其进行处理，便可以在这里定义函数实现过程，该HDGL_SYSTEM_Init()函数就是对主线程中connectZanj_WFC_ctrl()连接函数的实现。

         (2)、案例中主线程发送读取数据信号，子线程中函数的实现OnGETSlot()在该文件中，这里适用于读取数据函数的实现，可以根据需要进行修改。打开配置文件的实现原理与之一致。

#include "Zanj_WFC_ctrl.h"
#include "wfc_to_main.h"
#include <Python.h>
#include "qdebug.h"
#include <qstring.h>
#include <Python.h>

#pragma comment(lib,"mclmcrrt.lib")  
#pragma comment(lib,"libmx.lib")  
#pragma comment(lib,"libmat.lib")  
#pragma comment(lib,"mclmcr.lib")  
#pragma comment(lib,".\\lib\\CGL_Mech_Property_BP_pred.lib")
#pragma comment(lib,".\\lib\\fmtd.lib")


#include <QAxObject>
#include <QStandardPaths>
#include <QEventLoop>
#include <QDesktopWidget>

#include <algorithm>
#include <numeric>
#include <vector>
#include <QVector>
#include <stdlib.h>

#include "spdlog/fmt/ostr.h"
#include "spdlog/spdlog.h"
#include "spdlog/sinks/daily_file_sink.h"
#include "spdlog/sinks/stdout_color_sinks.h"
#include "spdlog/sinks/rotating_file_sink.h"

using namespace libxl;
using namespace std::literals;
//using namespace fmt;
using namespace std;
namespace spd = spdlog;
auto console_WFC_thread = spd::stdout_color_mt("WFC计算线程 ");
auto rlogger_WFC_thread = spdlog::rotating_logger_mt("CAO8_WFC_thread_rotating", "logs/CAO8_rotating.logger", 1048576 * 5, 12);


int Zanj_WFC_ctrl::HDGL_SYSTEM_Init()
{

	rlogger_WFC_thread->flush_on(spd::level::debug);

	console_WFC_thread->info("欢迎进入主系统计算线程");
	str_info = QString::fromLocal8Bit("0 应用程序环境路径  ") + path_deploy;

	return 1;
}

void Zanj_WFC_ctrl::OnGETSlot()
{
	QString strMessage;
	QString strResult;
	QString strUrl;
	QString strInput;
	QFile file(QApplication::applicationDirPath() + "/1.json");
	if (!file.open(QIODevice::WriteOnly)) {
		console_WFC_thread->error("Json file open failed! ");
		rlogger_WFC_thread->error("Json file open failed! ");
	}
	else {
		console_WFC_thread->info("Json file open successfully! ");
		rlogger_WFC_thread->info("Json File open successfully! ");
	}


	//QString strInput = ui.textEdit_input->toPlainText();
	//strUrl += "http://" + ui.lineEdit_Url->text();
	strUrl = serverIP + serviceID_get;
	strInput = clientSecret;
	SendAndGetText(strUrl, get1, strInput, strMessage, strResult);

	QJsonParseError jsonError;
	QByteArray byteResult = strResult.toUtf8();//QString转QByteArray
											   //QJsonDocument json = QJsonDocument::fromJson(byteResult, &jsonError);
	json_doc_get = QJsonDocument::fromJson(byteResult, &jsonError);

	if (json_doc_get.isNull())
	{
		console_WFC_thread->critical("json文件为空文档");
		//console->critical("jsonError错误类型" + jsonError.errorString().toStdString());
		//qDebug() << jsonError.errorString();
		rlogger_WFC_thread->critical("json格式错误[json_doc_get_slot]");
		//qDebug() << "json格式错误";//注意：如果文档中有中文，就会报格式错误
	}
	else if (jsonError.error != QJsonParseError::NoError)
	{
		console_WFC_thread->critical("json格式错误[json_doc_get_slot]" + jsonError.errorString().toStdString());
		//qDebug() << jsonError.errorString();
		rlogger_WFC_thread->critical("json格式错误[json_doc_get_slot]");
	}
	else 
	{
		if (json_doc_get.isObject()) 
		{
			doc_get_Obj = json_doc_get.object();
		}
	}
	json_doc_get_parse();
//	RT_Iplat4j_Communication();  //放在这里可以在主窗口点击数据读取按钮之后，才会提示是否数据平台连接成功

	file.write(json_doc_get.toJson(QJsonDocument::Indented)); //Indented:表示自动添加/n回车符
	file.close();

}

void Zanj_WFC_ctrl::OnconfigSlot()
{
	configuration_read();
}
         Zanj_WFC_ctrl.h文件

        该文件也是.cpp文件中众多函数的声明，比如处理读取数据时发送的信号的函数需要在这里声明一下，便于使用。

#pragma once

#include <QObject>
#include <QtSql/QtSql>
#include <QVariant>

//#include <connection.h>
//#include <QSql>
#include <QSqlError>
#include <QSqlDatabase>
#include <QSqlQuery>
#include <QDebug>
#include <QMessageBox>
#include <QEventLoop>
#include <qstring.h>
#include <string>
#include "snap7.h"
#include <QtCore/QJsonObject>
#include <QtCore/QJsonDocument>
#include <Python.h>


class Zanj_WFC_ctrl : public QObject
{
	Q_OBJECT

	
public:
	Zanj_WFC_ctrl(QObject *parent=0);
	~Zanj_WFC_ctrl();

public slots:

	int HDGL_SYSTEM_Init();

	void OnGETSlot();
	
	void OnconfigSlot();

总结

     同时运行的两个线程，与单线程相比：

        提高系统性能：双线程可以并行执行，可以更充分地利用多核处理器的资源，从而提高系统的整体性能。

        增加程序响应速度：通过将一些耗时的操作放在单独的线程中执行，可以避免阻塞主线程，提高程序的响应速度和用户体验。

        提高系统的并发性：双线程可以同时处理不同的任务，增加系统的并发性，使系统更具有高效性和灵活性。

        分解复杂任务：通过将复杂任务拆分成多个线程来执行，可以更容易地管理和维护代码，提高代码的可读性和可维护性。

        改善软件的稳定性：通过将不同功能模块分别放在不同的线程中执行，可以避免由于一个线程的错误导致整个系统崩溃的情况，提高软件的稳定性。

        总的来说，双线程可以提高系统的性能、响应速度和并发性，同时也能改善软件的稳定性和可维护性，是一种常用的提升程序效率的方法。

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