QT 4: программирование GUI на С++

Саммерфилд Марк

• QSemaphore semaphore(1) — QMutex mutex,

• Semaphore.acquire — mutex.lock,

• Semaphore.release — mutex.unlock.

Передавая 1 конструктору, мы указываем семафору на то, что он управляет работой одного ресурса. Преимущество применения семафора заключается в том, что мы можем передавать конструктору числа, отличные от 1, и затем вызывать функцию acquire несколько раз для захвата многих ресурсов.

Типичная область применения семафоров — это передача некоторого количества данных (DataSize) при совместном

использовании циклического буфера определенного размера (BufferSize):

const int DataSize = 100000;

const int BufferSize = 4096;

char buffer[BufferSize];

Поток, являющийся поставщиком данных, записывает данные в буфер, пока он не заполнится, и затем повторяет эту процедуру сначала, переписывая существующие данные. Поток, принимающий данные, считывает данные по мере их поступления. Это проиллюстрировано на рис. 18.2 для небольшого 16-байтового буфера.

Рис. 18.2. Модель взаимодействия двух потоков: формирующего и принимающего данные.

Необходимость синхронизации для примера взаимодействия потоков, один из которых формирует данные, а другой их считывает, обусловлена двумя причинами: если формирующий данные поток работает слишком быстро, он станет переписывать данные, которые еще не считал поток—приемник; если поток—приемник считывает данные слишком быстро, он перегонит другой поток и станет считывать «мусор».

Грубый способ решения этой проблемы состоит в том, чтобы сначала заполнить буфер и затем ждать, пока поток—приемник не считает буфер целиком и так далее. Однако в многопроцессорных системах это не позволит обоим потокам работать одновременно с разными частями буфера.

Одни из эффективных способов решения этой проблемы заключается в использовании двух семафоров:

QSemaphore freeSpace(BufferSize);

QSemaphore usedSpace(0);

Семафор freeSpace управляет той частью буфера, которая может заполняться потоком, формирующим данные. Семафор usedSpace управляет той областью, которую может считывать поток—приемник. Эти две области взаимно дополняют друг друга. Семафор freeSpace устанавливается на значение переменной BufferSize (4096), то есть он может захватывать именно такое количество ресурсов. Когда приложение запускается, поток, считывающий данные, начинает захватывать «свободные» байты и превращать их в «используемые» байты. Семафор usedSpace инициализируется нулевым значением, чтобы поток—приемник не мог считать «мусор» при запуске приложения.

В этом примере каждый байт рассматривается как один ресурс. В реальном приложении мы, вероятно, использовали бы более крупные блоки памяти (например, по 64 или 256 байт) для снижения затрат, обусловленных применением семафоров.

01 void Producer::run

02 {

03 for (int i = 0; i < DataSize; ++i) {

04 freeSpace.acquire;

05 buffer[i % BufferSize] = "ACGT"[uint(rand) % 4];

06 usedSpace.release;

07 }

08 }

Каждая

итерация при работе потока, формирующего данные, начинается с захвата одного «свободного» байта. Если весь буфер заполнен данными, которые не считаны потоком—приемником, вызов функции acquire заблокирует семафор до тех пор, пока поток—приемник не начнет считывать данные. Захватив байт, мы заполняем его некоторым случайным значением («А», «С», «G» или «T») и затем освобождаем байт и помечаем его как «использованный», тем самым указывая на возможность его считывания потоком—приемником.

01 void Consumer::run

02 {

03 for (int i = 0; i < DataSize; ++i) {

04 usedSpace.acquire;

05 cerr << buffer[i % BufferSize];

06 freeSpace.release;

07 }

08 cerr << endl;

09 }

Работу потока—приемника мы начинаем с захвата одного «использованного» байта. Если буфер не содержит данных для чтения, вызов функции acquire заблокирует семафор до тех пор, пока первый поток не сформирует какие-то данные. После захвата нами байта мы выводим его на экран и освобождаем байт, помечая его как «свободный», тем самым позволяя первому потоку вновь присвоить ему некоторое значение.

01 int main

02 {

03 Producer producer;

04 Consumer consumer;

05 producer.start;

06 consumer.start;

07 producer.wait;

08 consumer.wait;

09 return 0;

10 }

Наконец, в функции main мы запускаем оба потока. После этого происходит следующее: поток, формирующий данные, преобразует некоторое «свободное» пространство в «использованное», после чего поток—приемник может выполнить его обратное преобразование в «свободное» пространство.

Когда программа выполняется, она выводит на консоль случайную последовательность из 100 000 букв «А», «С», «G» и «T» и затем завершает свою работу. Для того чтобы понять, что происходит на самом деле, мы можем отключить вывод указанной последовательности и вместо этого выводить на консоль букву «P» при генерации каждого байта первым потоком и букву «с» при чтении байта вторым потоком. И ради максимального упрощения ситуации мы можем использовать меньшие значения параметров DataSize и BufferSize.

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.