Жасмин Бланшет - QT 4: программирование GUI на С++
Например, при выполнении программы, когда DataSize равен 10 и BufferSize равен 4, результат может быть таким: «PcPcPcPcPcPcPcPcPcPc». В данном случае поток—приемник считывает байты сразу по мере их формирования первым потоком; оба потока работают на одной скорости. В другом случае первый поток может заполнять буфер целиком еще до начала его считывания вторым потоком: «PPPPccccPPPPccccPPcc». Существует много других вариантов. Семафоры дают большую свободу действий планировщикам потоков в специфических системах, что позволяет им, изучив поведение потоков, выбрать подходящую политику планирования их работы.
Другой подход к решению проблемы синхронизации работы потока, формирующего данные, и потока, принимающего данные, состоит в применении классов QWaitCondition и QMutex. Класс QWaitCondition позволяет одному потоку «пробуждать» другие потоки, когда удовлетворяется некоторое условие. Этим обеспечивается более точное управление, чем путем применения только одних мьютексов. Чтобы показать, как это работает, мы переделаем пример с двумя потоками, используя условия ожидания.
const int DataSize = 100000;
const int BufferSize = 4096;
char buffer[BufferSize];
QWaitCondition bufferIsNotFull;
QWaitCondition bufferIsNotEmpty;
QMutex mutex;
int usedSpace = 0;
Кроме буфера мы объявляем два объекта QWaitCondition, один объект QMutex и одну переменную для хранения количества «использованных» байтов в буфере.
01 void Producer::run()
02 {
03 for (int i = 0; i < DataSize; ++i) {
04 mutex.lock();
05 while (usedSpace == BufferSize)
06 bufferIsNotFull.wait(&mutex);
07 buffer[i % BufferSize] = "ACGT"[uint(rand()) % 4];
08 ++usedSpace;
09 bufferIsNotEmpty.wakeAll();
10 mutex.unlock();
11 }
12 }
Работу потока, формирующего данные, мы начинаем с проверки заполнения буфера. Если он заполнен, мы ждем возникновения условия «буфер не заполнен». Когда это условие удовлетворяется, мы записываем один байт в буфер, увеличиваем на единицу usedSpace и возобновляем работу любого потока, ожидающего возникновения условия «буфер не пустой».
Мы используем мьютекс для контроля любого доступа к переменной usedSpace. Функция QWaitCondition::wait() может принимать в первом своем аргументе заблокированный мьютекс, который она открывает перед блокировкой текущего потока и затем вновь блокирует его перед выходом.
В этом примере мы могли бы заменить цикл while
while (usedSpace == BufferSize)
bufferIsNotFull.wait(&mutex);
на инструкцию if:
if (usedSpace == BufferSize) {
mutex.unlock();
bufferIsNotFull.wait();
mutex.lock();
}
Однако это не будет правильно работать, как только мы станем использовать несколько потоков, формирующих данные, поскольку другой такой поток может захватить мьютекс сразу же после вызова функции wait() и вновь отменить условие «буфер не заполнен».
01 void Consumer::run()
02 {
03 for (int i = 0; i < DataSize; ++i) {
04 mutex.lock();
05 while (usedSpace == 0)
06 bufferIsNotEmpty.wait(&mutex);
07 cerr << buffer[i % BufferSize];
08 --usedSpace;
09 bufferIsNotFull.wakeAll();
10 mutex.unlock();
11 }
12 cerr << endl;
13 }
Поток—приемник работает в точности наоборот относительно первого потока: он ожидает возникновения условия «буфер не пустой» и возобновляет работу любого потока, ожидающего условия «буфер не заполнен».
Во всех приводимых до сих пор примерах наши потоки имеют доступ к одинаковым глобальным переменным. Но для некоторых многопоточных приложений требуется хранить в глобальных переменных неодинаковые данные для разных потоков. Эти переменные часто называют локальной памятью потока (thread-local storage — TLS) или специальными данными потока (thread-specific data — TSD). Мы можем «схитрить» и использовать отображение, в качестве ключей которого применяются идентификаторы потоков (возвращаемые функцией QThread::currentThread()), но более привлекательное решение состоит в использовании класса QThreadStorage<T>.
Обычно класс QThreadStorage<T> используется для кэш—памяти. Имея отдельный кэш для каждого потока, мы избегаем затрат, связанных с блокировкой, разблокировкой и возможным ожиданием освобождения мьютекса. Например:
01 QThreadStorage<QHash<int, double> *> cache;
02 void insertIntoCache(int id, double value)
03 {
04 if (!cache.hasLocalData())
05 cache.setLocalData(new QHash<int, double>);
06 cache.localData()->insert(id, value);
07 }
08 void removeFromCache(int id)
09 {
10 if (cache.hasLocalData())
11 cache.localData()->remove(id);
12 }
Переменная cache содержит указатель на используемое потоком отображение QHash<int, double>. (Из-за проблем с некоторыми компиляторами тип объекта, задаваемый в шаблонном классе QThreadStorage<T>, должен быть указателем.) При применении первый раз кэша в потоке функция hasLocalData() возвращает false, и мы создаем объект типа QHash<int, double>.
Кроме кэширования класс QThreadStorage<T> может использоваться для глобальных переменных, отражающих состояние ошибки (подобных errno), чтобы модификации в одном потоке не влияли на другие потоки.
Взаимодействие с главным потоком
При запуске приложения Qt работает только один поток — главный. Только этот поток может создать объект QApplication или QCoreApplication и вызвать для него функцию exec(). После вызова exec() этот поток либо ожидает возникновения какого-нибудь события, либо обрабатывает какое-нибудь событие.
Главный поток может запускать новые потоки, создавая объекты подкласса QThread, как мы это делали в предыдущем разделе. Если эти новые потоки должны взаимодействовать друг с другом, они могут совместно использовать переменные под управлением мьютексов, блокировок чтения/записи, семафоров или специальных событий. Но ни один из этих методов нельзя использовать для связи с главным потоком, поскольку они будут блокировать цикл обработки событий и «заморозят» интерфейс пользователя.
Для связи вторичного потока с главным потоком необходимо использовать межпоточные соединения сигнал—слот. Обычно механизм сигналов и слотов работает синхронно, т.е. связанный с сигналом слот вызывается сразу после генерации сигнала, используя прямой вызов функции.
Однако когда вы связываете объекты, «живущие» в других потоках, механизм взаимодействия сигналов и слотов становится асинхронным. (Такое поведение можно изменить с помощью пятого параметра функции QObject::connect().) Внутри эти связи реализуются путем регистрации события. Слот затем вызывается в цикле обработки событий потока, в котором находится объект получателя. По умолчанию объект QObject существует в потоке, в котором он был создан; в любой момент можно изменить расположение объекта с помощью вызова функции QObject::moveToThread().
Рис. 18.3. Приложение Image Pro.
Для иллюстрации работы соединений сигнал—слот с разными потоками мы рассмотрим программный код приложения Image Pro — процессора изображений, обеспечивающего базовые возможности и позволяющего пользователю поворачивать, изменять размер и цвет изображения. В данном приложении используется один вторичный поток для выполнения операций над изображениями без блокировки цикла обработки событий. Это имеет существенное значение при обработке изображений очень большого размера. Вторичный поток имеет список выполняемых задач или «транзакций», и он генерирует события для главного окна, чтобы сообщать о том, как идет процесс их выполнения.
01 ImageWindow::ImageWindow()
02 {
03 imageLabel = new QLabel;
04 imageLabel->setBackgroundRole(QPalette::Dark);
05 imageLabel->setAutoFillBackground(true);
06 imageLabel->setAlignment(Qt::AlignLeft | Qt::AlignTop);
07 setCentralWidget(imageLabel);
08 createActions();
09 createMenus();
10 statusBar()->showMessage(tr("Ready"), 2000);
11 connect(&thread, SIGNAL(transactionStarted(const QString &)),
12 statusBar(), SLOT(showMessage(const QString &)));
13 connect(&thread, SIGNAL(finished()),
14 this, SLOT(allTransactionsDone()));
15 setCurrentFile("");
16 }
Интересной частью конструктора ImageWindow являются два соединения сигнал—слот. В обоих случаях сигнал генерируется объектом TransactionThread, который мы вскоре рассмотрим.
01 void ImageWindow::flipHorizontally()
