Qt 6.2C++程序设计与桌面应用开发 思政课件 第12章 进程与线程

Qt6.2/C++程序设计与桌面应用开发21世纪高等学校计算机类课程创新规划教材–微课视频版教材目录第1章初识Qt框架第2章Qt开发基础第3章界面设计组件第4章主框架窗口第5章对话框设计第6章事件系统第7章文件与数据库第8章模型/视图结构第9章图形绘制第10章多媒体编程第11章网络编程第12章进程与线程教材目录第12章进程与线程12.1相关Qt类12.2进程12.3线程12.4线程控制12.1相关Qt类Qt对进程和线程的支持是通过一系列的类协同实现的，其中主要的有QProcess类和QThread类。QProcess类用来启动一个进程并与其进行通信；QThread类提供不依赖于平台的管理线程常用方法。12.1.1QProcess类QProcess类属于Qt的core模块中，它是QIODevice类的直接子类，属于Qt的顺序访问I/O设备；同时，QProcess类也是QObject的子类，因而具有Qt的信号/槽功能。其继承关系如图12.1所示。QProcess类提供了大量的函数实现进程的启动、控制、查询、设置及通信等功能。其部分成员函数及功能如表12.1所示。下面是一段使用QProcess启动cmd.exe控制台程序并执行dir命令的示例代码。12.1.2QThread类QThread类直接继承自QObject类，每个QThread对象代表了一个在应用程序中可以独立控制的线程，这个线程与进程中的其他线程分享数据。表12.2给出了QThread类的部分非继承成员函数及功能。下面是一段使用QThread类实现多线程的示例代码。12.2进程进程(Process)是计算机中的程序关于数据集合上的一次运行活动，是正在运行的程序的实例。从理论角度来看，进程是对正在运行的程序过程的抽象；从实现角度来看，进程就是一种数据结构。进程清晰地刻画了动态系统的内在规律，并有效地管理和调度进入计算机系统主存储器运行的程序。12.2.1进程的启动进程是一个“执行中的程序”，所以，启动进程就是开始运行一个程序。可以使用QProcess类的start()、startDetached()和execute()函数来启动一个进程。下面是一个在Qt应用程序中打开/关闭Windows系统计算器的简单实例。【例12.1】编写一个Qt应用程序，在程序中运行Windows计算器。(1)打开QtCreator集成开发环境，创建一个基于QWidget类的Qt应用程序。项目名称为examp12_1。(2)双击项目视图中的widget.ui界面文件，打开QtDesigner设计工具，对程序主窗口界面进行设计。在主窗口中添加1个QPlainTextEdit类型的多文本编辑器，和2个QPushButton类型的按钮。3个对象的名称分别为plainTextEdit、startButton和closeButton。(3)为2个QPushButton按钮添加clicked()信号的槽函数，函数名称分别为on_startButton_clicked()和on_closeButton_clicked()。(4)打开widget.h头文件，为Widget类添加一个名为isActive()的私有成员函数，用于判断计算器是否已经启动；添加一个名为showError()的槽函数，用于显示启动进程时可能会出现的错误信息；添加3个名称为myProcess、program和arguments的私有成员变量，分别表示进程、外部程序以及命令行参数。代码如下所示。(5)打开widget.cpp文件，编写构造函数、自定义函数，以及槽函数代码，以实现程序功能。如下所示。(6)构建并运行程序。12.2.2进程间通信Qt提供了多种方法在Qt应用程序中实现进程间通信(IPC，Inter-ProcessCommunication)。主要有：1、TCP/IP方法2、LocalServer/Socket方法3、SharedMemory方法4、D-Bus协议方法5、QProcess方法6、SessionManagement方法1、TCP/IP方法跨平台的QtNetwork模块提供了众多的类来实现网络编程。它不仅提供了使用特定应用程序级协议进行通信的高级类(如QNetworkAccessManager)，也提供了用于实现相关协议的低级类(如QTcpSocket、QTcpServer、QSslSocket)。本教材的第11章网络编程中详细介绍了此种方法。2、LocalServer/Socket方法跨平台的QtNetwork模块提供了使本地网络编程可移植且容易的类。它提供了QLocalServer

和QLocalSocket类，允许在本地设置中进行类似网络的通信。【例12.2】编写一个Qt应用程序，通过LocalServer/Socket方法来实现进程之间的通信。(1)打开QtCreator集成开发环境，创建2个基于QDialog类的Qt应用程序。项目名称分别为examp12_1_server和examp12_1_client。前者表示服务器端程序，后者表示客户端程序。(2)编写服务器端程序代码。下面只给出部分关键代码，其他请参见教材源码。(3)编写客户端程序代码。下面只给出部分关键代码，其他请参见教材源码。(4)构建并运行程序。3、SharedMemory方法QtNetwork模块中的跨平台的QSharedMemory

共享内存类，提供对操作系统的共享内存的实现，它允许多个线程和进程安全访问共享内存段。QSystemSemaphore也可以用来控制访问由系统共享的资源以及进程之间的通信。【例12.3】编写一个Qt应用程序，使用共享内存来实现进程之间的通信。(1)打开QtCreator集成开发环境，创建一个基于QWidget类的Qt应用程序。项目名称为examp12_3。(2)双击项目视图中的widget.ui界面文件，打开QtDesigner设计工具，对程序主窗口界面进行设计。在主窗口中添加1个QLabel标签控件，和2个QPushButton类型的按钮。3个对象的名称分别为label、loadFromFileButton和loadFromSharedMemoryButton。(3)为2个QPushButton按钮添加clicked()信号的槽函数，函数名称分别为on_loadFromFileButton_clicked()和on_loadFromSharedMemoryButton_clicked()。(4)打开widget.h头文件，为Widget类添加一个名为detach()的私有成员函数，用于将进程与共享内存段分离；添加一个名为sharedMemory的QSharedMemory私有成员对象，用于表示共享内存段。代码如下。private:voiddetach();private:…QSharedMemorysharedMemory;(5)打开widget.cpp文件，编写构造函数、自定义函数，以及槽函数代码，以实现程序功能。如下所示。(4)构建并运行程序。4、D-Bus协议方法Qt的D-Bus模块是一种可用于使用D-Bus协议实现IPC的唯一Unix库。它将Qt的信号和槽机制延伸到IPC级别，允许由一个进程发出的信号被连接到另一个进程的槽。该方法的实现，请参见Qt的示例程序D-BusChatExample和D-BusRemoteControlledCarExample5、QProcess方法跨平台类QProcess能够用于启动外部程序作为子进程，并与它们进行通讯。它提供了用于监测和控制该子进程状态的API。另外，QProcess为从QIODevice继承的子进程提供了输入/输出通道。该方法的实现，请参见上面12.1.1小节中的code_12_1_1示例项目。6、SessionManagement方法在Linux/X11平台上，Qt提供了会话管理的支持。会话容许事件传播到进程，例如，当检测到关机时，进程和应用程序能够执行任何必须的操作，如保存打开的文档等。12.3线程Qt对线程的支持是通过三个方面来实现的：一是提供了一组与平台无关的线程类，二是提供了一个线程安全的事件发送方式，三是提供了跨线程的信号与槽的关联。Qt对多线程操作的全面支持，使得开发可移植的Qt多线程应用程序变得非常容易，同时还可以充分发挥多处理器中各个内核的效用。12.3.1线程的运行在Qt的多线程应用程序中，通常使用QThread类提供的方法来对线程进行管理。一个QThread类的对象管理一个线程，默认情况下，线程是在QThread::run()函数中开始运行的，run()函数通过调用exec()启动并运行Qt的事件循环。1、线程的创建在多线程编程中，将应用程序的线程称为主线程，额外创建的线程称为工作线程。工作线程可以通过两种方法来创建:一种方法是自定义QThread类的子类，并重载run()函数；另一种方法是先创建工作对象，然后使用QObject::moveToThread()函数将工作对象嵌入到线程中。(1)使用QThread子类对象通过子类化QThread来创建工作线程，是Qt多线程编程中的常用方法。下面是一段示例代码。(2)使用QObject::moveToThread()函数通过这种方法创建工作线程，首先需要创建一个工作者对象，将线程任务集中到这个对象中，然后使用QObject::moveToThread()函数完成工作线程的创建。示例如下。2、线程的启动工作线程创建完成后，可以在外部创建该线程的实例，然后调用start()函数来开始执行该线程，start()默认会调用run()函数。下面来看一个简单的实例。【例12.4】编写一个Qt应用程序，统计n个自然数中质数的个数。要求统计计算在单独的线程中完成，主线程接收用户输入并显示统计结果。(1)打开QtCreator集成开发环境，创建一个基于QWidget类的Qt应用程序。项目名称为examp12_4。(2)双击项目视图中的widget.ui界面文件，打开QtDesigner设计工具，对程序主窗口界面进行设计。在主窗口中添加2个QLabel标签、1个QPushButton按钮、1个QLineEdit单行文本输入框和1个QPlainTextEdit多行文本编辑器。其中，单行文本输入框、按钮和多行文本编辑器控件对象的名称分别为lineEdit、pushButton和plainTextEdit。(3)右击主窗口中的lineEdit控件，选择快捷菜单中的“Gotoslots…”菜单命令，为单行文本控件添加editingFinished信号关联槽函数on_lineEdit_editingFinished()；使用同样的方法，为“计算”按钮控件添加clicked信号关联槽函数on_pushButton_clicked()。(4)在项目中添加一个QThread类的派生类MyThread，并重载run()虚函数。为类MyThread添加私有成员变量endNum，用于存储需要统计的自然数的个数；为endNum成员变量添加公有的设置函数setEndNum()。代码如下所示。接着，编写mythread.cpp文件中的代码，完成成员变量的初始化、成员变量的设置和线程任务等工作。代码如下所示。(5)打开widget.h文件，在类Widget中添加一个MyThread类型的对象myThread，并为上述第(3)步中创建的2个槽函数添加代码，实现相应的功能。如下所示。(6)构建并运行程序。程序运行后，输入不同的n值，并单击“计算”按钮进行测试，结果如图12.10所示。该程序子线程中的计算结果是直接在控制台输出的，如果要将计算结果传递到主线程中，就需要了解线程间通信的基本方法。12.3.2线程间通信线程间的通信一般通过两种方法来实现，即成员变量方法和自定义信号方法。成员变量方法就是通过线程对象的成员变量来返回线程数据；自定义信号方法通过在线程类中定义信号，利用信号参数来传递线程数据。1、成员变量方法由于线程任务是在run()函数中完成的，而run()函数又属于线程类的成员函数，所以可以通过线程类的成员变量来存储run()函数中的相关数据。【例12.5】编写一个Qt应用程序，使用成员变量来实现线程之间的通信。(1)复制例12.4中的项目examp12_4，并将名称修改为examp12_5。(2)打开项目中的mythread.h文件，在MyThread线程类中添加一个类型为long的私有成员变量result，并为其添加公有的getResult()函数。getResult()函数实现代码如下：longMyThread::getResult(){returnresult;}(3)修改run()函数中的代码，将计算结果赋值给成员变量result。如下所示。voidMyThread::run(){…//qDebug()<<"在1~"<<endNum<<"的n个自然数中，质数的个数为:"<<n;result=n;}(4)打开项目中的widget.h文件，在类Widget中添加槽函数returnResult()。其实现代码如下所示：voidWidget::returnResult(){longr=myThread.getResult();QStringstr;str.setNum(r);ui->plainTextEdit->insertPlainText(str);}(5)在Widget类的构造函数中编写代码，将槽函数returnResult()和QThread::finished信号关联。代码如下：connect(&myThread,&QThread::finished,this,&Widget::returnResult);子线程运行结束后，即刻调用主窗口中的returnResult()槽函数，将计算结果显示在多行文本编辑器光标所在的位置。(6)构建并运行程序。程序运行后，在文本输入框中输入n并回车，然后单击“计算”按钮开始统计计算。程序计算时，可以在主窗口中进行其他操作，主线程没有被阻塞。如图12.12所示。2、自定义信号方法在Qt的信号与槽通讯机制中，对象在发射信号的时候是可以附带传送一些参数的。所以，可以通过在线程类中定义信号，利用信号参数来传递线程数据。【例12.6】编写一个Qt应用程序，使用自定义信号方法实现线程之间的通信。(1)复制例12.4中的项目examp12_4，并将名称修改为examp12_6。(2)打开项目中的mythread.h头文件，为线程类MyThread添加一个信号函数。代码如下：signals:voidreturnResult(longresult);(3)打开项目中的mythread.cpp文件，修改线程类MyThread的run()函数中的代码，如下所示。voidMyThread::run(){…//qDebug()<<"在1~"<<endNum<<"的n个自然数中，质数的个数为:"<<n;emitreturnResult(n);}(4)打开项目文件widget.h，在类Widget中添加槽函数getResult()，并编写其实现代码。如下所示。voidWidget::getResult(longresult){longr=result;QStringstr;str.setNum(r);ui->plainTextEdit->insertPlainText(str);}(5)在Widget类的构造函数中编写代码，将槽函数getResult()和MyThread::returnResult信号关联。代码如下：connect(&myThread,&MyThread::returnResult,this,&Widget::getResult);(6)构建并运行程序。12.4线程控制线程之间存在着互相制约的关系，具体可以分为互斥和同步这两种关系。在Qt中，线程的互斥与同步控制，可以使用QMutex、QMutexLocker、QReadWriteLock、QReadLocker、QWriteLocker、Qsemaphore和QWaitCondition

等类来实现。12.4.1基于互斥量互斥量可以通过Qmutex

或QMutexLocker类实现。Qmutex和QMutexLocker

又称为互斥锁，用于保护共享资源(如对象、数据结构和代码段等)，它们能够保证多线程程序中在同一时刻只有一个线程访问共享资源。【例12.7】编写一个Qt应用程序，示例使用互斥量保护共享资源。(1)打开QtCreator集成开发环境，创建一个基于QWidget类的Qt应用程序，项目名称为examp12_7。(2)在项目中添加一个名为TestData的C++类，并在该类中定义2个静态成员sharedNumber和sharedNumMutex，前者表示共享整型数据；后者表示互斥锁。代码如下。(3)在项目中添加2个QThread的子线程类，类名分别为WorkThread1和WorkThread2。在这两个类中实现QThread::run()虚函数，代码如下。(4)在项目主窗口中添加一个QPushButton类型的按钮，并在其clicked()信号对应的槽函数中编写代码，如下所示。voidWidget::on_pushButton_clicked(){m_workThread2.start();//先启动线程2m_workThread1.start();}(5)构建并运行程序。为了对比运行结果，程序运行测试分两次来进行。先注释掉上述(3)步代码中的语句1、语句5和语句9，测试不使用互斥锁的情形，结果如图12.14所示。从输出结果可以看出，在线程1中输出的结果为17(0+2+20-5)，这个结果是执行了语句6、语句2和语句3后得到的。也就是说，在线程2还没有对共享数据TestData::sharedNumber修改(语句7还没有执行)完成的时候，线程1便对该共享数据进行了修改。很显然这个计算结果是不符合程序设计者的初衷的。接着，测试使用互斥锁后程序的运行情况。取消语句1、语句5和语句9的注释，重新构建并运行程序，结果如图12.15所示。从结果可以看到，使用互斥锁以后，线程1就不能在线程2访问共享数据的时候对其进行操作了。这样有效保护了程序中的共享资源。12.4.2基于信号量信号量QSemaphore可以理解为对互斥量QMutex功能的扩展，互斥量只能锁定一次而信号量可以获取多次，它可以用来保护一定数量的同种资源。QSemaphore类的成员函数及功能如表12.4所示。信号量的典型用例是控制生产者/消费者之间共享的环形缓冲区。下面是一个简单的停车场车位资源分配实例。【例12.8】编写一个Qt应用程序，示例信号量QSemaphore的使用方法。(1)打开QtCreator集成开发环境，创建一个基于QWidget类的Qt应用程序，项目名称为examp12_8。(2)在项目中添加一个名为TestData的C++类，并在该类中定义2个静态成员gData和gSemaphore，前者表示共享资源；后者表示信号量。代码如下所示。(3)在项目中添加一个QThread的子线程类，类名为MyThread。实现MyThread类的QThread::run()虚函数，并编写代码。如下所示。(4)在项目主窗口中添加一个QPushButton类型的按钮，并在其clicked()信号对应的槽函数中编写代码，如下所示。(5)构建并运行程序。12.4.3基于QReadWriteLock在基于互斥量Qmutex的线程控制中，每次只能有一个线程获得互斥量的权限。如果在一个程序中有多个线程读取某个变量，使用互斥量时也必须排队。实际上，若只是读取一个变量，是可以让多个线程同时访问的。在这种只读取的情况下，若仍然使用互斥量就会降低程序的性能。针对上述问题，Qt提供了一个读写锁QReadWriteLock。读写锁是基于读或写的模式进行代码段锁定的，在多个线程读写一个共享资源时，可以解决使用互斥量影响程序性能这个问题。与互斥量Qmutex相比较，QReadWriteLock的特点是：读共享，写独占；且默认写锁优先级高于读锁。【例12.9】编写一个Qt应用程序，示例QReadWriteL