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QWaitCondition 的正确使用方法

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发表于 2020-12-29 19:35:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
简单用法

QWaitCondition 用于多线程的同步,一个线程调用QWaitCondition::wait() 阻塞等待,直到另一个线程调用QWaitCondition::wake() 唤醒才继续往下执行。

为了描述方便,这里假设主线程调用Send()往通信口发送一个数据包,然后阻塞等待回包才继续往下执行。另一个线程(通信线程)不断从通信口中接收数据并解析成数据包,然后唤醒主线程。下面是按网上给的最简单的方法:

  1. // 示例一

  2. // 主线程
  3. Send(&packet);
  4. mutex.lock();
  5. condition.wait(&mutex);
  6. if (m_receivedPacket)
  7. {
  8.     HandlePacket(m_receivedPacket); // 另一线程传来回包
  9. }
  10. mutex.unlock();


  11. // 通信线程
  12. m_receivedPacket = ParsePacket(buffer);  // 将接收的数据解析成包
  13. condition.wakeAll();
复制代码

通常情况下,上述代码能跑得很好。但在某些特殊情况下,可能会出现混乱,大大降低通信可靠性。

在主线程中,调用 Send(&packet) 发送后,假如通信线程立即收到回包,在主线程还来不及调用 wait() 的时候,已经先 wakeAll() 了,显然这次唤醒是无效的,但主线程继续调用 wait(),然后一直阻塞在那里,因为该回的包已经回了。经测试出现这种现象的概率还是挺大的,因为我们不敢保证主线程总会被优先调度。即使主线程已经调用了 wait(),也不能保证底层操作系统的 wait_block 系统调用先于 wake 系统调用,毕竟wait() 函数也是层层封装的。

严谨用法

QWaitCondition::wait() 在使用时必须传入一个上锁的 QMutex 对象。这是很有必要的。而上述示例一代码中,我们虽然用了 mutex,但只是为了形式上传入QMutex参数,让编译器能正常编译而已,事实上,没有其它任何线程再用到这个mutex。而 mutex 本来就是让多个线程能协调工作的,所以上述示例一主线程用的 mutex 是无效的。

根据 Qt 手册,wait() 函数必须传入一个已上锁的 mutex 对象,在 wait() 执行过程中,mutex一直保持上锁状态,直到调用操作系统的wait_block 在阻塞的一瞬间把 mutex 解锁(严格说来应该是原子操作,即系统能保证在真正执行阻塞等待指令时才解锁)。另一线程唤醒后,wait() 函数将在第一时间重新给 mutex 上锁(这种操作也是原子的),直到显示调用 mutex.unlock() 解锁。

在通信线程也用上 mutex 后,整个通信时序正常了,完全解决了示例一的问题。代码如下:

  1. // 示例二

  2. // 主线程
  3. mutex.lock();
  4. Send(&packet);
  5. condition.wait(&mutex);
  6. if (m_receivedPacket)
  7. {
  8.     HandlePacket(m_receivedPacket); // 另一线程传来回包
  9. }
  10. mutex.unlock();


  11. // 通信线程
  12. m_receivedPacket = ParsePacket(buffer);  // 将接收的数据解析成包
  13. mutex.lock();
  14. condition.wakeAll();
  15. mutex.unlock();
复制代码

述示例二中,主线程先把 mutex 锁占据,即从发送数据包开始,一直到 QWaitCondition::wait() 在操作系统层次真正执行阻塞等待指令,这一段主线程的时间段内,mutex 一直被上锁,即使通信线程很快就接收到数据包,也不会直接调用 wakeAll(),而是在调用 mutex.lock() 时阻塞住(因为主线程已经把mutex占据上锁了,再尝试上锁就会被阻塞),直到主线程 QWaitCondition::wait() 真正执行操作系统的阻塞等待指令并释放mutex,通信线程的 mutex.lock() 才即出阻塞,继续往下执行,调用 wakeAll(),此时一定能唤醒主线程成功。

由此可见,通过 mutex 把有严格时序要求的代码保护起来,同时把 wakeAll() 也用同一个 mutex 保护起来,这样能保证:一定先有 wait() ,再有 wakeAll(),不管什么情况,都能保证这种先后关系,而不至于摆乌龙。

推而广之

mutex 和 condition 联合使用是多线程中的一个常用的设计模式,不仅是 Qt,对于 C++ 的 std::condition_variable 和 std::mutex ,以及 java 的 synchronized / wait / notify 也都适用。

https://blog.csdn.net/flyoxs/article/details/54617342


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