Qt 6.2C++程序設(shè)計與桌面應(yīng)用開發(fā) 思政課件 第12章 進程與線程

Qt6.2/C++程序設(shè)計與桌面應(yīng)用開發(fā)21世紀高等學(xué)校計算機類課程創(chuàng)新規(guī)劃教材–微課視頻版教材目錄第1章初識Qt框架第2章Qt開發(fā)基礎(chǔ)第3章界面設(shè)計組件第4章主框架窗口第5章對話框設(shè)計第6章事件系統(tǒng)第7章文件與數(shù)據(jù)庫第8章模型/視圖結(jié)構(gòu)第9章圖形繪制第10章多媒體編程第11章網(wǎng)絡(luò)編程第12章進程與線程教材目錄第12章進程與線程12.1相關(guān)Qt類12.2進程12.3線程12.4線程控制12.1相關(guān)Qt類Qt對進程和線程的支持是通過一系列的類協(xié)同實現(xiàn)的，其中主要的有QProcess類和QThread類。QProcess類用來啟動一個進程并與其進行通信；QThread類提供不依賴于平臺的管理線程常用方法。12.1.1QProcess類QProcess類屬于Qt的core模塊中，它是QIODevice類的直接子類，屬于Qt的順序訪問I/O設(shè)備；同時，QProcess類也是QObject的子類，因而具有Qt的信號/槽功能。其繼承關(guān)系如圖12.1所示。QProcess類提供了大量的函數(shù)實現(xiàn)進程的啟動、控制、查詢、設(shè)置及通信等功能。其部分成員函數(shù)及功能如表12.1所示。下面是一段使用QProcess啟動cmd.exe控制臺程序并執(zhí)行dir命令的示例代碼。12.1.2QThread類QThread類直接繼承自QObject類，每個QThread對象代表了一個在應(yīng)用程序中可以獨立控制的線程，這個線程與進程中的其他線程分享數(shù)據(jù)。表12.2給出了QThread類的部分非繼承成員函數(shù)及功能。下面是一段使用QThread類實現(xiàn)多線程的示例代碼。12.2進程進程(Process)是計算機中的程序關(guān)于數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動，是正在運行的程序的實例。從理論角度來看，進程是對正在運行的程序過程的抽象；從實現(xiàn)角度來看，進程就是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。進程清晰地刻畫了動態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，并有效地管理和調(diào)度進入計算機系統(tǒng)主存儲器運行的程序。12.2.1進程的啟動進程是一個“執(zhí)行中的程序”，所以，啟動進程就是開始運行一個程序?？梢允褂肣Process類的start()、startDetached()和execute()函數(shù)來啟動一個進程。下面是一個在Qt應(yīng)用程序中打開/關(guān)閉Windows系統(tǒng)計算器的簡單實例?！纠?2.1】編寫一個Qt應(yīng)用程序，在程序中運行Windows計算器。(1)打開QtCreator集成開發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建一個基于QWidget類的Qt應(yīng)用程序。項目名稱為examp12_1。(2)雙擊項目視圖中的widget.ui界面文件，打開QtDesigner設(shè)計工具，對程序主窗口界面進行設(shè)計。在主窗口中添加1個QPlainTextEdit類型的多文本編輯器，和2個QPushButton類型的按鈕。3個對象的名稱分別為plainTextEdit、startButton和closeButton。(3)為2個QPushButton按鈕添加clicked()信號的槽函數(shù)，函數(shù)名稱分別為on_startButton_clicked()和on_closeButton_clicked()。(4)打開widget.h頭文件，為Widget類添加一個名為isActive()的私有成員函數(shù)，用于判斷計算器是否已經(jīng)啟動；添加一個名為showError()的槽函數(shù)，用于顯示啟動進程時可能會出現(xiàn)的錯誤信息；添加3個名稱為myProcess、program和arguments的私有成員變量，分別表示進程、外部程序以及命令行參數(shù)。代碼如下所示。(5)打開widget.cpp文件，編寫構(gòu)造函數(shù)、自定義函數(shù)，以及槽函數(shù)代碼，以實現(xiàn)程序功能。如下所示。(6)構(gòu)建并運行程序。12.2.2進程間通信Qt提供了多種方法在Qt應(yīng)用程序中實現(xiàn)進程間通信(IPC，Inter-ProcessCommunication)。主要有：1、TCP/IP方法2、LocalServer/Socket方法3、SharedMemory方法4、D-Bus協(xié)議方法5、QProcess方法6、SessionManagement方法1、TCP/IP方法跨平臺的QtNetwork模塊提供了眾多的類來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程。它不僅提供了使用特定應(yīng)用程序級協(xié)議進行通信的高級類(如QNetworkAccessManager)，也提供了用于實現(xiàn)相關(guān)協(xié)議的低級類(如QTcpSocket、QTcpServer、QSslSocket)。本教材的第11章網(wǎng)絡(luò)編程中詳細介紹了此種方法。2、LocalServer/Socket方法跨平臺的QtNetwork模塊提供了使本地網(wǎng)絡(luò)編程可移植且容易的類。它提供了QLocalServer

和QLocalSocket類，允許在本地設(shè)置中進行類似網(wǎng)絡(luò)的通信?！纠?2.2】編寫一個Qt應(yīng)用程序，通過LocalServer/Socket方法來實現(xiàn)進程之間的通信。(1)打開QtCreator集成開發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建2個基于QDialog類的Qt應(yīng)用程序。項目名稱分別為examp12_1_server和examp12_1_client。前者表示服務(wù)器端程序，后者表示客戶端程序。(2)編寫服務(wù)器端程序代碼。下面只給出部分關(guān)鍵代碼，其他請參見教材源碼。(3)編寫客戶端程序代碼。下面只給出部分關(guān)鍵代碼，其他請參見教材源碼。(4)構(gòu)建并運行程序。3、SharedMemory方法QtNetwork模塊中的跨平臺的QSharedMemory

共享內(nèi)存類，提供對操作系統(tǒng)的共享內(nèi)存的實現(xiàn)，它允許多個線程和進程安全訪問共享內(nèi)存段。QSystemSemaphore也可以用來控制訪問由系統(tǒng)共享的資源以及進程之間的通信?！纠?2.3】編寫一個Qt應(yīng)用程序，使用共享內(nèi)存來實現(xiàn)進程之間的通信。(1)打開QtCreator集成開發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建一個基于QWidget類的Qt應(yīng)用程序。項目名稱為examp12_3。(2)雙擊項目視圖中的widget.ui界面文件，打開QtDesigner設(shè)計工具，對程序主窗口界面進行設(shè)計。在主窗口中添加1個QLabel標簽控件，和2個QPushButton類型的按鈕。3個對象的名稱分別為label、loadFromFileButton和loadFromSharedMemoryButton。(3)為2個QPushButton按鈕添加clicked()信號的槽函數(shù)，函數(shù)名稱分別為on_loadFromFileButton_clicked()和on_loadFromSharedMemoryButton_clicked()。(4)打開widget.h頭文件，為Widget類添加一個名為detach()的私有成員函數(shù)，用于將進程與共享內(nèi)存段分離；添加一個名為sharedMemory的QSharedMemory私有成員對象，用于表示共享內(nèi)存段。代碼如下。private:voiddetach();private:…QSharedMemorysharedMemory;(5)打開widget.cpp文件，編寫構(gòu)造函數(shù)、自定義函數(shù)，以及槽函數(shù)代碼，以實現(xiàn)程序功能。如下所示。(4)構(gòu)建并運行程序。4、D-Bus協(xié)議方法Qt的D-Bus模塊是一種可用于使用D-Bus協(xié)議實現(xiàn)IPC的唯一Unix庫。它將Qt的信號和槽機制延伸到IPC級別，允許由一個進程發(fā)出的信號被連接到另一個進程的槽。該方法的實現(xiàn)，請參見Qt的示例程序D-BusChatExample和D-BusRemoteControlledCarExample5、QProcess方法跨平臺類QProcess能夠用于啟動外部程序作為子進程，并與它們進行通訊。它提供了用于監(jiān)測和控制該子進程狀態(tài)的API。另外，QProcess為從QIODevice繼承的子進程提供了輸入/輸出通道。該方法的實現(xiàn)，請參見上面12.1.1小節(jié)中的code_12_1_1示例項目。6、SessionManagement方法在Linux/X11平臺上，Qt提供了會話管理的支持。會話容許事件傳播到進程，例如，當檢測到關(guān)機時，進程和應(yīng)用程序能夠執(zhí)行任何必須的操作，如保存打開的文檔等。12.3線程Qt對線程的支持是通過三個方面來實現(xiàn)的：一是提供了一組與平臺無關(guān)的線程類，二是提供了一個線程安全的事件發(fā)送方式，三是提供了跨線程的信號與槽的關(guān)聯(lián)。Qt對多線程操作的全面支持，使得開發(fā)可移植的Qt多線程應(yīng)用程序變得非常容易，同時還可以充分發(fā)揮多處理器中各個內(nèi)核的效用。12.3.1線程的運行在Qt的多線程應(yīng)用程序中，通常使用QThread類提供的方法來對線程進行管理。一個QThread類的對象管理一個線程，默認情況下，線程是在QThread::run()函數(shù)中開始運行的，run()函數(shù)通過調(diào)用exec()啟動并運行Qt的事件循環(huán)。1、線程的創(chuàng)建在多線程編程中，將應(yīng)用程序的線程稱為主線程，額外創(chuàng)建的線程稱為工作線程。工作線程可以通過兩種方法來創(chuàng)建:一種方法是自定義QThread類的子類，并重載run()函數(shù)；另一種方法是先創(chuàng)建工作對象，然后使用QObject::moveToThread()函數(shù)將工作對象嵌入到線程中。(1)使用QThread子類對象通過子類化QThread來創(chuàng)建工作線程，是Qt多線程編程中的常用方法。下面是一段示例代碼。(2)使用QObject::moveToThread()函數(shù)通過這種方法創(chuàng)建工作線程，首先需要創(chuàng)建一個工作者對象，將線程任務(wù)集中到這個對象中，然后使用QObject::moveToThread()函數(shù)完成工作線程的創(chuàng)建。示例如下。2、線程的啟動工作線程創(chuàng)建完成后，可以在外部創(chuàng)建該線程的實例，然后調(diào)用start()函數(shù)來開始執(zhí)行該線程，start()默認會調(diào)用run()函數(shù)。下面來看一個簡單的實例?！纠?2.4】編寫一個Qt應(yīng)用程序，統(tǒng)計n個自然數(shù)中質(zhì)數(shù)的個數(shù)。要求統(tǒng)計計算在單獨的線程中完成，主線程接收用戶輸入并顯示統(tǒng)計結(jié)果。(1)打開QtCreator集成開發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建一個基于QWidget類的Qt應(yīng)用程序。項目名稱為examp12_4。(2)雙擊項目視圖中的widget.ui界面文件，打開QtDesigner設(shè)計工具，對程序主窗口界面進行設(shè)計。在主窗口中添加2個QLabel標簽、1個QPushButton按鈕、1個QLineEdit單行文本輸入框和1個QPlainTextEdit多行文本編輯器。其中，單行文本輸入框、按鈕和多行文本編輯器控件對象的名稱分別為lineEdit、pushButton和plainTextEdit。(3)右擊主窗口中的lineEdit控件，選擇快捷菜單中的“Gotoslots…”菜單命令，為單行文本控件添加editingFinished信號關(guān)聯(lián)槽函數(shù)on_lineEdit_editingFinished()；使用同樣的方法，為“計算”按鈕控件添加clicked信號關(guān)聯(lián)槽函數(shù)on_pushButton_clicked()。(4)在項目中添加一個QThread類的派生類MyThread，并重載run()虛函數(shù)。為類MyThread添加私有成員變量endNum，用于存儲需要統(tǒng)計的自然數(shù)的個數(shù)；為endNum成員變量添加公有的設(shè)置函數(shù)setEndNum()。代碼如下所示。接著，編寫mythread.cpp文件中的代碼，完成成員變量的初始化、成員變量的設(shè)置和線程任務(wù)等工作。代碼如下所示。(5)打開widget.h文件，在類Widget中添加一個MyThread類型的對象myThread，并為上述第(3)步中創(chuàng)建的2個槽函數(shù)添加代碼，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。如下所示。(6)構(gòu)建并運行程序。程序運行后，輸入不同的n值，并單擊“計算”按鈕進行測試，結(jié)果如圖12.10所示。該程序子線程中的計算結(jié)果是直接在控制臺輸出的，如果要將計算結(jié)果傳遞到主線程中，就需要了解線程間通信的基本方法。12.3.2線程間通信線程間的通信一般通過兩種方法來實現(xiàn)，即成員變量方法和自定義信號方法。成員變量方法就是通過線程對象的成員變量來返回線程數(shù)據(jù)；自定義信號方法通過在線程類中定義信號，利用信號參數(shù)來傳遞線程數(shù)據(jù)。1、成員變量方法由于線程任務(wù)是在run()函數(shù)中完成的，而run()函數(shù)又屬于線程類的成員函數(shù)，所以可以通過線程類的成員變量來存儲run()函數(shù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)?！纠?2.5】編寫一個Qt應(yīng)用程序，使用成員變量來實現(xiàn)線程之間的通信。(1)復(fù)制例12.4中的項目examp12_4，并將名稱修改為examp12_5。(2)打開項目中的mythread.h文件，在MyThread線程類中添加一個類型為long的私有成員變量result，并為其添加公有的getResult()函數(shù)。getResult()函數(shù)實現(xiàn)代碼如下：longMyThread::getResult(){returnresult;}(3)修改run()函數(shù)中的代碼，將計算結(jié)果賦值給成員變量result。如下所示。voidMyThread::run(){…//qDebug()<<"在1~"<<endNum<<"的n個自然數(shù)中，質(zhì)數(shù)的個數(shù)為:"<<n;result=n;}(4)打開項目中的widget.h文件，在類Widget中添加槽函數(shù)returnResult()。其實現(xiàn)代碼如下所示：voidWidget::returnResult(){longr=myThread.getResult();QStringstr;str.setNum(r);ui->plainTextEdit->insertPlainText(str);}(5)在Widget類的構(gòu)造函數(shù)中編寫代碼，將槽函數(shù)returnResult()和QThread::finished信號關(guān)聯(lián)。代碼如下：connect(&myThread,&QThread::finished,this,&Widget::returnResult);子線程運行結(jié)束后，即刻調(diào)用主窗口中的returnResult()槽函數(shù)，將計算結(jié)果顯示在多行文本編輯器光標所在的位置。(6)構(gòu)建并運行程序。程序運行后，在文本輸入框中輸入n并回車，然后單擊“計算”按鈕開始統(tǒng)計計算。程序計算時，可以在主窗口中進行其他操作，主線程沒有被阻塞。如圖12.12所示。2、自定義信號方法在Qt的信號與槽通訊機制中，對象在發(fā)射信號的時候是可以附帶傳送一些參數(shù)的。所以，可以通過在線程類中定義信號，利用信號參數(shù)來傳遞線程數(shù)據(jù)?！纠?2.6】編寫一個Qt應(yīng)用程序，使用自定義信號方法實現(xiàn)線程之間的通信。(1)復(fù)制例12.4中的項目examp12_4，并將名稱修改為examp12_6。(2)打開項目中的mythread.h頭文件，為線程類MyThread添加一個信號函數(shù)。代碼如下：signals:voidreturnResult(longresult);(3)打開項目中的mythread.cpp文件，修改線程類MyThread的run()函數(shù)中的代碼，如下所示。voidMyThread::run(){…//qDebug()<<"在1~"<<endNum<<"的n個自然數(shù)中，質(zhì)數(shù)的個數(shù)為:"<<n;emitreturnResult(n);}(4)打開項目文件widget.h，在類Widget中添加槽函數(shù)getResult()，并編寫其實現(xiàn)代碼。如下所示。voidWidget::getResult(longresult){longr=result;QStringstr;str.setNum(r);ui->plainTextEdit->insertPlainText(str);}(5)在Widget類的構(gòu)造函數(shù)中編寫代碼，將槽函數(shù)getResult()和MyThread::returnResult信號關(guān)聯(lián)。代碼如下：connect(&myThread,&MyThread::returnResult,this,&Widget::getResult);(6)構(gòu)建并運行程序。12.4線程控制線程之間存在著互相制約的關(guān)系，具體可以分為互斥和同步這兩種關(guān)系。在Qt中，線程的互斥與同步控制，可以使用QMutex、QMutexLocker、QReadWriteLock、QReadLocker、QWriteLocker、Qsemaphore和QWaitCondition

等類來實現(xiàn)。12.4.1基于互斥量互斥量可以通過Qmutex

或QMutexLocker類實現(xiàn)。Qmutex和QMutexLocker

又稱為互斥鎖，用于保護共享資源(如對象、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼段等)，它們能夠保證多線程程序中在同一時刻只有一個線程訪問共享資源?！纠?2.7】編寫一個Qt應(yīng)用程序，示例使用互斥量保護共享資源。(1)打開QtCreator集成開發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建一個基于QWidget類的Qt應(yīng)用程序，項目名稱為examp12_7。(2)在項目中添加一個名為TestData的C++類，并在該類中定義2個靜態(tài)成員sharedNumber和sharedNumMutex，前者表示共享整型數(shù)據(jù)；后者表示互斥鎖。代碼如下。(3)在項目中添加2個QThread的子線程類，類名分別為WorkThread1和WorkThread2。在這兩個類中實現(xiàn)QThread::run()虛函數(shù)，代碼如下。(4)在項目主窗口中添加一個QPushButton類型的按鈕，并在其clicked()信號對應(yīng)的槽函數(shù)中編寫代碼，如下所示。voidWidget::on_pushButton_clicked(){m_workThread2.start();//先啟動線程2m_workThread1.start();}(5)構(gòu)建并運行程序。為了對比運行結(jié)果，程序運行測試分兩次來進行。先注釋掉上述(3)步代碼中的語句1、語句5和語句9，測試不使用互斥鎖的情形，結(jié)果如圖12.14所示。從輸出結(jié)果可以看出，在線程1中輸出的結(jié)果為17(0+2+20-5)，這個結(jié)果是執(zhí)行了語句6、語句2和語句3后得到的。也就是說，在線程2還沒有對共享數(shù)據(jù)TestData::sharedNumber修改(語句7還沒有執(zhí)行)完成的時候，線程1便對該共享數(shù)據(jù)進行了修改。很顯然這個計算結(jié)果是不符合程序設(shè)計者的初衷的。接著，測試使用互斥鎖后程序的運行情況。取消語句1、語句5和語句9的注釋，重新構(gòu)建并運行程序，結(jié)果如圖12.15所示。從結(jié)果可以看到，使用互斥鎖以后，線程1就不能在線程2訪問共享數(shù)據(jù)的時候?qū)ζ溥M行操作了。這樣有效保護了程序中的共享資源。12.4.2基于信號量信號量QSemaphore可以理解為對互斥量QMutex功能的擴展，互斥量只能鎖定一次而信號量可以獲取多次，它可以用來保護一定數(shù)量的同種資源。QSemaphore類的成員函數(shù)及功能如表12.4所示。信號量的典型用例是控制生產(chǎn)者/消費者之間共享的環(huán)形緩沖區(qū)。下面是一個簡單的停車場車位資源分配實例?！纠?2.8】編寫一個Qt應(yīng)用程序，示例信號量QSemaphore的使用方法。(1)打開QtCreator集成開發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建一個基于QWidget類的Qt應(yīng)用程序，項目名稱為examp12_8。(2)在項目中添加一個名為TestData的C++類，并在該類中定義2個靜態(tài)成員gData和gSemaphore，前者表示共享資源；后者表示信號量。代碼如下所示。(3)在項目中添加一個QThread的子線程類，類名為MyThread。實現(xiàn)MyThread類的QThread::run()虛函數(shù)，并編寫代碼。如下所示。(4)在項目主窗口中添加一個QPushButton類型的按鈕，并在其clicked()信號對應(yīng)的槽函數(shù)中編寫代碼，如下所示。(5)構(gòu)建并運行程序。12.4.3基于QReadWriteLock在基于互斥量Qmutex的線程控制中，每次只能有一個線程獲得互斥量的權(quán)限。如果在一個程序中有多個線程讀取某個變量，使用互斥量時也必須排隊。實際上，若只是讀取一個變量，是可以讓多個線程同時訪問的。在這種只讀取的情況下，若仍然使用互斥量就會降低程序的性能。針對上述問題，Qt提供了一個讀寫鎖QReadWriteLock。讀寫鎖是基于讀或?qū)懙哪Ｊ竭M行代碼段鎖定的，在多個線程讀寫一個共享資源時，可以解決使用互斥量影響程序性能這個問題。與互斥量Qmutex相比較，QReadWriteLock的特點是：讀共享，寫?yīng)氄?；且默認寫鎖優(yōu)先級高于讀鎖?！纠?2.9】編寫一個Qt應(yīng)用程序，示例QReadWriteL