文章目录
- 1. 信号量的原理
- 2. 双缓冲区数据采集和读取线程类设计
- 3. QThreadDAQ和QThreadShow 的使用
- 4. 源码
- 4.1 可视化UI设计框架
- 4.2 qmythread.h
- 4.3 qmythread.cpp
- 4.4 dialog.h
- 4.5 dialog.cpp
1. 信号量的原理
信号量(Semaphore)是另一种限制对共享资源进行访问的线程同步机制，它与互斥量(Mutex)相似，但是有区别。一个互斥量只能被锁定一次，而信号量可以多次使用。信号量通常用来保护一定数量的相同的资源，如数据采集时的双缓冲区。
QSemaphore 是实现信号量功能的类，它提供以下几个基本的函数:
- acquire(int n)尝试获得 n 个资源。如果没有这么多资源，线程将阻塞直到有 n 个资源可用
- release(int n)释放 n 个资源，如果信号量的资源已全部可用之后再 release()，就可以创建更多的资源，增加可用资源的个数:
- int available()返回当前信号量可用的资源个数，这个数永远不可能为负数，如果为 0，就说明当前没有资源可用;
- bool tryAcquire(int n = 1)，尝试获取 n 个资源，不成功时不阻塞线程。
定义QSemaphore 的实例时，可以传递一个数值作为初始可用的资源个数。
下面的一段示意代码，说明 QSemaphore 的几个函数的作用。
QSemaphore WC(5); // WC.available() == 5，初始资源个数为 5个
WC.acquire(4): // WC.available() == 1，用了4 个资源，还剩余1个可用
WC.release(2); // WC.available() == 3，释放了2个资源，剩余3个可用
WC.acquire(3); // WC.available() == 0，又用了3 个资源，剩余0个可用
WC.tryAcquire(1); //因为WC.available() == 0，返回 false，
WC.acquire(); //因为 wc.available() == 0，没有资源可用，阻塞
为了理解信号量及上面这段代码的意义，可以假想变量 WC 是一个公共卫生间，初始化时定义WC有5个位置可用。
-
WC.acquire(4)，成功进去 4 个人，占用了4 个位置，还剩余1个位置
-
WC.release(2)，出来了 2个人，剩余3 个位置可用:
-
WC.acquire(3)，又进去 3 个人，剩余0个位置可用;
-
WC.tryAcquire(1),有一个人尝试进去，但是因为没有位置了，他不等待，走了,tryAcquire()函数返回 false:
-
WC.acquire()，有一个人必须进去，但是因为没有位置了，他就一直在外面等着，直到有其他人出来，空余出位置来。
互斥量相当于列车上的卫生间，一次只允许一个人进出，信号量则是多人公共卫生间，允许多人进出。n 个资源就是信号量需要保护的共享资源，至于资源如何分配，就是内部处理的问题了。
2. 双缓冲区数据采集和读取线程类设计
理解：可以用于实现自行定义的缓冲区大小，利用2个子线程对不断产生的数据不间断进行写入及处理，主线程主要进行显示
信号量通常用来保护一定数量的相同的资源，如数据采集时的双缓冲区，适用于Producer/Consumer 模型。
在实例 samp13_5中，创建类似于 Producer/Consumer 模型的两个线程类 QThreadDAQ 和QThreadShow。qmythread.h 文件中这两个类的定义如下:
#ifndef QMYTHREAD_H
#define QMYTHREAD_H
//#include <QObject>
#include <QThread>
class QThreadDAQ : public QThread
{
Q_OBJECT
private:
bool m_stop=false; //停止线程
protected:
void run() Q_DECL_OVERRIDE;
public:
QThreadDAQ();
void stopThread();
};
class QThreadShow : public QThread
{
Q_OBJECT
private:
bool m_stop=false; //停止线程
protected:
void run() Q_DECL_OVERRIDE;
public:
QThreadShow();
void stopThread();
signals:
void newValue(int *data,int count, int seq);
};
#endif // QMYTHREAD_H
QThreadDAQ 是数据采集线程，例如在使用数据采集卡进行连续数据采集时，需要一个单独的线程将采集卡采集的数据读取到缓冲区内。
QThreadShow 是数据读取线程,用于读取已存满数据的缓冲区中的数据并传递给主线程显示,采用信号与槽机制与主线程交互。
QThreadDAQ/QThreadShow 类的定义与使用 QWaitCondition 的实例 samp13_4中的QThreadProducer/QThreadConsumer 类的定义类似，只是QThreadShow 的信号 newValue()采用了指针作为传递参数，用于一次传递出一个缓冲区的数据。
qmythread.cpp 文件中QThreadDAQ和QThreadShow 的主要功能代码如下:
#include "qmythread.h"
#include <QSemaphore>
const int BufferSize = 8;
int buffer1[BufferSize];
int buffer2[BufferSize];
int curBuf=1; //当前正在写入的Buffer
int bufNo=0; //采集的缓冲区序号
quint8 counter=0;//数据生成器
QSemaphore emptyBufs(2);//信号量：空的缓冲区个数，初始资源个数为2
QSemaphore fullBufs; //满的缓冲区个数，初始资源为0
QThreadDAQ::QThreadDAQ()
{
}
void QThreadDAQ::stopThread()
{
m_stop=true;
}
void QThreadDAQ::run()
{
m_stop=false;//启动线程时令m_stop=false
bufNo=0;//缓冲区序号
curBuf=1; //当前写入使用的缓冲区
counter=0;//数据生成器
int n=emptyBufs.available();
if (n<2) //保证 线程启动时emptyBufs.available==2
emptyBufs.release(2-n);
while(!m_stop)//循环主体
{
emptyBufs.acquire();//获取一个空的缓冲区
for(int i=0;i<BufferSize;i++) //产生一个缓冲区的数据
{
if (curBuf==1)
buffer1[i]=counter; //向缓冲区写入数据
else
buffer2[i]=counter;
counter++; //模拟数据采集卡产生数据
msleep(50); //每50ms产生一个数
}
bufNo++;//缓冲区序号
if (curBuf==1) // 切换当前写入缓冲区
curBuf=2;
else
curBuf=1;
fullBufs.release(); //有了一个满的缓冲区,available==1
}
quit();
}
void QThreadShow::run()
{
m_stop=false;//启动线程时令m_stop=false
int n=fullBufs.available();
if (n>0)
fullBufs.acquire(n); //将fullBufs可用资源个数初始化为0
while(!m_stop)//循环主体
{
fullBufs.acquire(); //等待有缓冲区满,当fullBufs.available==0阻塞
int bufferData[BufferSize];
int seq=bufNo;
if(curBuf==1) //当前在写入的缓冲区是1，那么满的缓冲区是2
for (int i=0;i<BufferSize;i++)
bufferData[i]=buffer2[i]; //快速拷贝缓冲区数据
else
for (int i=0;i<BufferSize;i++)
bufferData[i]=buffer1[i];
emptyBufs.release();//释放一个空缓冲区
emit newValue(bufferData,BufferSize,seq);//给主线程传递数据
}
quit();
}
QThreadShow::QThreadShow()
{
}
void QThreadShow::stopThread()
{
m_stop=true;
}
在共享变量区定义了两个缓冲区 buffer1和 buffer2，都是长度为 BufferSize 的数组。
变量 curBuf 记录当前写入操作的缓冲区编号，其值只能是 1或2，表示 bufferl 或 buffer2，bufNo是累积的缓冲区个数编号，counter 是模拟采集数据的变量。
信号量emptyBufs 初始资源个数为2，表示有2个空的缓冲区可用。
信号量 fullBufs初始化资源个数为0，表示写满数据的缓冲区个数为零。
QThreadDAQ::run()采用双缓冲方式进行模拟数据采集，线程启动时初始化共享变量，特别的是使emptyBufs 的可用资源个数初始化为2。
在while 循环体里，第一行语句 emptyBufs.acquire()使信号量emptyBufs 获取一个资源，即获取一个空的缓冲区。用于数据缓存的有两个缓冲区，只要有一个空的缓冲区，就可以向这个缓冲区写入数据。
while 循环体里的 for 循环每隔 50 毫秒使 counter 值加 1，然后写入当前正在写入的缓冲区，当前写入哪个缓冲区由 curBuf 决定。counter 是模拟采集的数据，连续增加可以判断采集的数据是否连续。
完成 for 循环后正好写满一个缓冲区，这时改变 curBuf 的值，切换用于写入的缓冲区。
写满一个缓冲区之后，使用 fullBufs.release()为信号量 fullBufs 释放一个资源，这时 fullBufs.available==l，表示有一个缓冲区被写满了。这样，QThreadShow 线程里使用 fullBufs.acquire()就可以获得一个资源，可以读取已写满的缓冲区里的数据。
QThreadShow::run()用于监测是否有已经写满数据的缓冲区，只要有缓冲区写满了数据，就立刻读取出数据，然后释放这个缓冲区给 OThreadDAQ 线程用于写入。
QThreadShow::run()函数的初始化部分使 fullBufs.available==0，即线程刚启动时是没有资源的。
在 while循环体里第一行语句就是通过 fullBufs.acquire()以阻塞方式获取一个资源，只有当QThreadDAQ 线程里写满一个缓冲区，执行一次fullBufs.release()后，fullBufs.acquire()才获得资源并执行后面的代码。后面的代码就立即用临时变量将缓冲区里的数据读取出来，再调用emptyBufs.release()给信号量emptyBufs 释放一个资源，然后发射信号 newValue，由主线程读取数据并显示。
所以，这里使用了双缓冲区、两个信号量实现采集和读取两个线程的协调操作。采集线程里使用emptyBufs.acquire()获取可以写入的缓冲区。
实际使用数据采集卡进行连续数据采集时，采集线程是不能停顿下来的，也就是说万一读取线程执行较慢，采集线程是不会等待的。所以实际情况下，读取线程的操作应该比采集线程快。
3. QThreadDAQ和QThreadShow 的使用
设计窗口基于 QDialog 应用程序 samp13_5，对话框的类定义如下(省略了一些不重要的或与前面实例重复的部分内容):
class Dialog : public QDialog
{
Q_OBJECT
private:
QThreadDAQ threadProducer;
QThreadShow threadConsumer;
private slots:
void onthreadB_newValue(int *data, int count, int bufNo);
};
Dialog类定义了两个线程的实例，threadProducer 和 threadConsumer。
自定义了一个槽函数 onthreadB_newValue()，用于与 threadConsumer 的信号关联，在 Dialog的构造函数里进行了关联。
connect(&threadConsumer,SIGNAL(newValue(int*,int,int)),this,SLOT(onthreadB_newValue(int*,int,int)));
槽函数onthreadB_newValue()的功能就是读取一个缓冲区里的数据并显示，其实现代码如下
void Dialog::onthreadB_newValue(int *data, int count, int bufNo)
{ //读取threadConsumer 传递的缓冲区的数据
QString str=QString::asprintf("第 %d 个缓冲区：",bufNo);
for (int i=0;i<count;i++)
{
str=str+QString::asprintf("%d, ",*data);
data++;
}
str=str+'\n';
ui->plainTextEdit->appendPlainText(str);
}
传递的指针型参数int*data 是一个数组指针，count 是缓冲区长度。（此处注意主线程和子线程利用信号槽传递数组值的方法）
“启动线程”和“结束线程”两个按钮的代码如下(省略了按键使能控制的代码):
void Dialog::on_btnStopThread_clicked()
{//结束线程
// threadConsumer.stopThread();//结束线程的run()函数执行
threadConsumer.terminate(); //因为threadB可能处于等待状态，所以用terminate强制结束
threadConsumer.wait();//
threadProducer.terminate();//结束线程的run()函数执行
threadProducer.wait();//
ui->btnStartThread->setEnabled(true);
ui->btnStopThread->setEnabled(false);
}
void Dialog::on_btnStartThread_clicked()
{//启动线程
threadConsumer.start();
threadProducer.start();
ui->btnStartThread->setEnabled(false);
ui->btnStopThread->setEnabled(true);
}
启动线程时，先启动 threadConsumer，再启动 threadProducer，否则可能丢失第1个缓冲区的数据。
结束线程时，都采用 terminate()函数强制结束线程，因为两个线程之间有互锁的关系，若不使用terminate()强制结束会出现线程无法结束的问题。
程序运行时的界面如图 13-3 所示
从图 13-3 可以看出，没有出现丢失缓冲区或数据点的情况，两个线程之间协调的很好，将QThreadDAQ:run()函数中模拟采样率的延时时间调整为2秒也没问题(正常设置为50毫秒)。
在实际的数据采集中，要保证不丢失缓冲区或数据点，数据读取线程的速度必须快过数据写入缓冲区的线程的速度。
4. 源码
4.1 可视化UI设计框架
4.2 qmythread.h
#ifndef QMYTHREAD_H
#define QMYTHREAD_H
//#include <QObject>
#include <QThread>
class QThreadDAQ : public QThread
{
Q_OBJECT
private:
bool m_stop=false; //停止线程
protected:
void run() Q_DECL_OVERRIDE;
public:
QThreadDAQ();
void stopThread();
};
class QThreadShow : public QThread
{
Q_OBJECT
private:
bool m_stop=false; //停止线程
protected:
void run() Q_DECL_OVERRIDE;
public:
QThreadShow();
void stopThread();
signals:
void newValue(int *data,int count, int seq);
};
#endif // QMYTHREAD_H
4.3 qmythread.cpp
#include "qmythread.h"
#include <QSemaphore>
const int BufferSize = 8;
int buffer1[BufferSize];
int buffer2[BufferSize];
int curBuf=1; //当前正在写入的Buffer
int bufNo=0; //采集的缓冲区序号
quint8 counter=0;//数据生成器
QSemaphore emptyBufs(2);//信号量：空的缓冲区个数，初始资源个数为2
QSemaphore fullBufs; //满的缓冲区个数，初始资源为0
QThreadDAQ::QThreadDAQ()
{
}
void QThreadDAQ::stopThread()
{
m_stop=true;
}
void QThreadDAQ::run()
{
m_stop=false;//启动线程时令m_stop=false
bufNo=0;//缓冲区序号
curBuf=1; //当前写入使用的缓冲区
counter=0;//数据生成器
int n=emptyBufs.available();
if (n<2) //保证 线程启动时emptyBufs.available==2
emptyBufs.release(2-n);
while(!m_stop)//循环主体
{
emptyBufs.acquire();//获取一个空的缓冲区
for(int i=0;i<BufferSize;i++) //产生一个缓冲区的数据
{
if (curBuf==1)
buffer1[i]=counter; //向缓冲区写入数据
else
buffer2[i]=counter;
counter++; //模拟数据采集卡产生数据
msleep(50); //每50ms产生一个数
}
bufNo++;//缓冲区序号
if (curBuf==1) // 切换当前写入缓冲区
curBuf=2;
else
curBuf=1;
fullBufs.release(); //有了一个满的缓冲区,available==1
}
quit();
}
void QThreadShow::run()
{
m_stop=false;//启动线程时令m_stop=false
int n=fullBufs.available();
if (n>0)
fullBufs.acquire(n); //将fullBufs可用资源个数初始化为0
while(!m_stop)//循环主体
{
fullBufs.acquire(); //等待有缓冲区满,当fullBufs.available==0阻塞
int bufferData[BufferSize];
int seq=bufNo;
if(curBuf==1) //当前在写入的缓冲区是1，那么满的缓冲区是2
for (int i=0;i<BufferSize;i++)
bufferData[i]=buffer2[i]; //快速拷贝缓冲区数据
else
for (int i=0;i<BufferSize;i++)
bufferData[i]=buffer1[i];
emptyBufs.release();//释放一个空缓冲区
emit newValue(bufferData,BufferSize,seq);//给主线程传递数据
}
quit();
}
QThreadShow::QThreadShow()
{
}
void QThreadShow::stopThread()
{
m_stop=true;
}
4.4 dialog.h
#ifndef DIALOG_H
#define DIALOG_H
#include <QDialog>
#include <QTimer>
#include "qmythread.h"
namespace Ui {
class Dialog;
}
class Dialog : public QDialog
{
Q_OBJECT
private:
QThreadDAQ threadProducer;
QThreadShow threadConsumer;
protected:
void closeEvent(QCloseEvent *event);
public:
explicit Dialog(QWidget *parent = 0);
~Dialog();
private slots:
void onthreadA_started();
void onthreadA_finished();
void onthreadB_started();
void onthreadB_finished();
void onthreadB_newValue(int *data, int count, int bufNo);
void on_btnClear_clicked();
void on_btnStopThread_clicked();
void on_btnStartThread_clicked();
private:
Ui::Dialog *ui;
};
#endif // DIALOG_H
4.5 dialog.cpp
#include "dialog.h"
#include "ui_dialog.h"
void Dialog::closeEvent(QCloseEvent *event)
{//窗口关闭
if (threadProducer.isRunning())
{
threadProducer.terminate();//结束线程的run()函数执行
threadProducer.wait();//
}
if (threadConsumer.isRunning())
{
threadConsumer.terminate(); //因为threadB可能处于等待状态，所以用terminate强制结束
threadConsumer.wait();//
}
event->accept();
}
Dialog::Dialog(QWidget *parent) :
QDialog(parent),
ui(new Ui::Dialog)
{
ui->setupUi(this);
connect(&threadProducer,SIGNAL(started()),this,SLOT(onthreadA_started()));
connect(&threadProducer,SIGNAL(finished()),this,SLOT(onthreadA_finished()));
connect(&threadConsumer,SIGNAL(started()),this,SLOT(onthreadB_started()));
connect(&threadConsumer,SIGNAL(finished()),this,SLOT(onthreadB_finished()));
connect(&threadConsumer,SIGNAL(newValue(int*,int,int)),
this,SLOT(onthreadB_newValue(int*,int,int)));
}
Dialog::~Dialog()
{
delete ui;
}
void Dialog::onthreadA_started()
{
ui->LabA->setText("Thread Producer状态: started");
}
void Dialog::onthreadA_finished()
{
ui->LabA->setText("Thread Producer状态: finished");
}
void Dialog::onthreadB_started()
{
ui->LabB->setText("Thread Consumer状态: started");
}
void Dialog::onthreadB_finished()
{
ui->LabB->setText("Thread Consumer状态: finished");
}
void Dialog::onthreadB_newValue(int *data, int count, int bufNo)
{ //读取threadConsumer 传递的缓冲区的数据
QString str=QString::asprintf("第 %d 个缓冲区：",bufNo);
for (int i=0;i<count;i++)
{
str=str+QString::asprintf("%d, ",*data);
data++;
}
str=str+'\n';
ui->plainTextEdit->appendPlainText(str);
}
void Dialog::on_btnClear_clicked()
{
ui->plainTextEdit->clear();
}
void Dialog::on_btnStopThread_clicked()
{//结束线程
// threadConsumer.stopThread();//结束线程的run()函数执行
threadConsumer.terminate(); //因为threadB可能处于等待状态，所以用terminate强制结束
threadConsumer.wait();//
threadProducer.terminate();//结束线程的run()函数执行
threadProducer.wait();//
ui->btnStartThread->setEnabled(true);
ui->btnStopThread->setEnabled(false);
}
void Dialog::on_btnStartThread_clicked()
{//启动线程
threadConsumer.start();
threadProducer.start();
ui->btnStartThread->setEnabled(false);
ui->btnStopThread->setEnabled(true);
}
