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11-基于信号量的线程同步

  
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13.2.5　基于信号量的线程同步

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

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：

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);
};

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
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 (nrun()
{
   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

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buffer1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==1，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QThreadDAQ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。

“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_btnStartThread_clicked()
{//启动线程
   threadConsumer.start();
   threadProducer.start();
}
void Dialog::on_btnStopThread_clicked()
{//结束线程
   threadConsumer.terminate(); 
   threadConsumer.wait();
   threadProducer.terminate();
   threadProducer.wait();
}

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。

228.png

图13-3　实例samp13_5运行界面

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毫秒也没问题（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。

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