c++ 开发语言 Qt QQueue 安全的多线程队列、阻塞队列

文章目录

1. C++ queue 队列基本用法2. Qt QQueue 队列基本用法3. Qt QQueue 多线程队列4. Qt BlockingQueue 自定义线程安全的阻塞队列

1. C++ queue 队列基本用法

在C++中，queue是一个模板类，用于实现队列数据结构，遵循先进先出的原则。

♦ 常用方法： ·

queue Q; //定义一个int型队列

Q.empty(); //返回队列是否为空

Q.size(); //返回当前队列长度

Q.front(); //返回当前队列的第一个元素

Q.back(); //返回当前队列的最后一个元素

Q.push(); //在队列后面插入一个元素, 比如插入数字5: Q.push(5)

Q.pop(); //从当前队列里,移出第一个元素

♦ 简单使用： ·

#include

using namespace std;

int main()

{

// 创建一个queue对象

queue Q;

// 向队列中添加元素

Q.push(1);

Q.push(2);

Q.push(3);

cout<<"queue empty? "<

cout<<"queue size: "<

// 从队列中移除元素，并输出

while (!Q.empty()) {

int value = Q.front();

Q.pop();

cout << "Dequeued:" << value << endl;

}

return 0;

}

♦ 打印： ·

2. Qt QQueue 队列基本用法

QQueue 继承与 QList

♦ 常用方法： ·

QQueue QQ; //定义一个int型队列

QQ.isEmpty(); //返回队列是否为空

QQ.size(); //返回队列元素个数

QQ.clear(); //清空队列

QQ.enqueue(); //在队列尾部添加一个元素, 比如插入数字5: QQ.enqueue(5)

/* 相当于

Q.push();

QQ.dequeue(); //删除当前队列第一个元素,并返回这个元素

/* 相当于

Q.front(); //返回当前队列的第一个元素

Q.pop(); //从当前队列里,移出第一个元素

QQ.head(); //返回当前队列第一个元素

/* 相当于

Q.front();

QQ.last(); //返回当前队列尾部的元素

/* 相当于

Q.back();

T & operator[]( int i ); //以数组形式访问队列元素

♦ 实例： ·

#include

int main(int argc, char *argv[])

{

QCoreApplication a(argc, argv);

// 创建一个QQueue对象

QQueue QQ;

// 向队列中添加元素

QQ.enqueue(1);

QQ.enqueue(2);

QQ.enqueue(3);

qDebug()<<"queue empty: "<

qDebug()<<"queue size: " <

qDebug()<<"queue head: " <

qDebug()<<"queue last: " <

// 从队列中移除元素，并输出

while (!QQ.isEmpty()) {

int value = QQ.dequeue();

qDebug() << "Dequeued:" << value;

}

return a.exec();

}

♦ 打印： ·

3. Qt QQueue 多线程队列

在多线程编程中，由于QQueue并不是线程安全的，因此我们需要先使用互斥锁（QMutex）来保护队列。在读写队列时，我们需要获取互斥锁的锁定，以避免多个线程同时访问队列导致的数据竞争问题。

然后通过经典的生产者和消费者来看一个简单的示例程序，演示如何使用QQueue实现线程安全队列：

#include

// 定义线程安全队列类

template

class ThreadSafeQueue

{

public:

// 添加元素到队列尾部

void enqueue(const T& value) {

QMutexLocker locker(&m_mutex);

m_queue.enqueue(value);

}

// 从队列头部移除一个元素，并返回它

T dequeue() {

QMutexLocker locker(&m_mutex);

if (m_queue.isEmpty()) {

return T();

}

return m_queue.dequeue();

}

// 返回队列是否为空

bool isEmpty() const {

QMutexLocker locker(&m_mutex);

return m_queue.isEmpty();

}

private:

QQueue m_queue;

mutable QMutex m_mutex;

};

// 定义生产者线程类

class ProducerThread : public QThread

{

public:

ProducerThread(ThreadSafeQueue& queue)

: m_queue(queue)

{

}

protected:

void run() override {

for (int i = 1; i <= 10; i++) {

m_queue.enqueue(i);

qDebug() << "Enqueued:" << i;

msleep(500);

}

private:

ThreadSafeQueue& m_queue;

};

// 定义消费者线程类

class ConsumerThread : public QThread

{

public:

ConsumerThread(ThreadSafeQueue& queue)

: m_queue(queue)

{

}

protected:

void run() override {

while (!isInterruptionRequested()) {

if (!m_queue.isEmpty()) {

int value = m_queue.dequeue();

qDebug() << "Dequeued:" << value;

}

msleep(500);

}

private:

ThreadSafeQueue& m_queue;

};

int main(int argc, char *argv[])

{

QCoreApplication a(argc, argv);

// 创建线程安全队列对象

ThreadSafeQueue queue;

// 创建生产者线程对象和消费者线程对象

ProducerThread producer(queue);

ConsumerThread consumer(queue);

// 启动线程

producer.start();

consumer.start();

qDebug() << "F1";

// 等待线程结束

//在producer等待期间， consumer run()也会运行直到producer 运行完毕，main才能往下执行

producer.wait();

qDebug() << "F2";

consumer.requestInterruption(); //相当于 ctrl + c 结束 consumer 线程

qDebug() << "F3";

consumer.wait();

qDebug() << "F4";

return a.exec();

}

♦ 运行结果：

在上面的示例程序中，我们首先定义了一个模板类ThreadSafeQueue，用于实现线程安全队列。该类使用QMutex来保护QQueue对象，以实现线程安全。

接下来，我们定义了两个线程类ProducerThread和ConsumerThread，用于生产和消费数据。

在ProducerThread中，我们循环向队列中添加元素，每隔500毫秒添加一个元素。在ConsumerThread中，我们循环从队列中取出元素，每隔500毫秒取出一个元素。在取出元素时，我们需要判断队列是否为空，避免出现异常情况。

其中：执行 producer.wait() 时， mian 中主线程将会被阻塞；等到 producer 生产者运行完毕，才会唤醒；而 consumer 线程不受影响；

万一发生数据处理速度不匹配的情况呢？

生产者休眠 500ms 消费者休眠500ms，就是如上情况生产者休眠时间 < 消费者休眠时间，那么生产者执行完毕后，消费者还未消费完就退出线程了，那么生产者必须暂停等待一下（阻塞生产者线程），以便等待消费者线程把累积的数据处理完毕生产者休眠时间 > 消费者休眠时间，那么生产者执行完毕后，消费者也执行完毕了

真实的大数据情况下，如果生产者产出数据的速度大于消费者消费的速度，并且当生产出来的数据累积到一定程度的时候，那么生产者必须暂停等待一下（阻塞生产者线程），以便等待消费者线程把累积的数据处理完毕，反之亦然。在多线程环境下，我们每个程序员都必须去自己控制这些细节，尤其还要兼顾效率和线程安全，而这会给我们的程序带来不小的复杂度。

在 java 中有 BlockingQueue 阻塞队列，但是Qt 中似乎没有相关的阻塞队列，需要我们自己去自己控制这些细节

4. Qt BlockingQueue 自定义线程安全的阻塞队列

以下定义一个简单的阻塞队列：

#include

template

class BlockingQueue

{

public:

BlockingQueue() {}

void put(const T& value)

{

QMutexLocker locker(&m_mutex);

m_queue.enqueue(value);

m_condition.wakeOne(); //唤醒等待队列中的一个线程(来自wait)

}

T take()

{

QMutexLocker locker(&m_mutex);

while (m_queue.isEmpty()) {

m_condition.wait(&m_mutex);

}

return m_queue.dequeue();

}

bool isEmpty() const

{

QMutexLocker locker(&m_mutex);

return m_queue.isEmpty();

}

int size() const

{

QMutexLocker locker(&m_mutex);

return m_queue.size();

}

private:

QQueue m_queue;

mutable QMutex m_mutex;

QWaitCondition m_condition;

};

这个 BlockingQueue类使用QMutex和QWaitCondition来保证线程安全，并实现了put、take、isEmpty和size等方法。其中，put方法用于往队列中插入元素，take方法用于从队列中取出元素，isEmpty方法用于判断队列是否为空，size方法用于获取队列中元素的数量。

在put方法中，我们首先获取了互斥锁，然后将元素插入到队列中，并通过QWaitCondition的wakeOne()方法唤醒一个等待线程（调用take()中的线程）。在take方法中，我们首先获取了互斥锁，然后在队列为空时调用QWaitCondition的wait()方法等待，直到有其他线程往队列中插入了元素并唤醒了当前线程。

mutable的作用是允许在const成员函数中修改BlockingQueue类的m_mutex和m_notEmpty成员变量。这是因为，生产者和消费者线程在往阻塞队列中添加或删除元素时，都需要对这两个成员变量进行修改。但是，由于take()和tryTake()方法都是const成员函数，因此如果不将m_mutex和m_notEmpty声明为mutable类型，编译器就会报错。

♦ 使用： ·

static BlockingQueue queue;

class Producer : public QThread

{

public:

void run() override

{

for (int i = 0; i < 10; ++i) {

queue.put(i);

qDebug() << "Producer thread: " << QThread::currentThreadId() << ", value: " << i;

msleep(500); // sleep for 0.5 second

}

};

class Consumer : public QThread

{

public:

void run() override

{

int value = 0;

while (true) {

value = queue.take();

qDebug() << "Consumer thread: " << QThread::currentThreadId() << ", value: " << value;

}

};

int main(int argc, char *argv[])

{

QCoreApplication a(argc, argv);

Producer producer;

Consumer consumer1, consumer2;

producer.start();

consumer1.start();

consumer2.start();

return a.exec();

}

♦ 运行结果：

上述包含一个生产者线程和两个消费者线程，生产者线程往队列中插入10个整数，每插入一个元素后暂停0.5秒。两个消费者线程不断从队列中取出元素，并输出当前线程的ID和取出的元素值。当队列为空时，消费者线程会进入等待状态，直到有其他线程往队列中插入元素。

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