Qt 应用程序中具有共享资源的工作线程

Question

我正在开发一个涉及与一个或多个设备进行串行通信的 Qt 应用程序。有不同的程序可以同时执行，每个程序可以向设备发送一个或未知数量的命令，并可以接收数据作为响应。为了更清楚地说明，这里是场景的图形说明：

点击一个按钮触发相应过程的执行。因此，当用户在短时间内单击两个或多个按钮时，两个或多个不同的过程可能会同时运行ning。实际上，它们之间唯一可以共享的是与单个设备的串行通信；否则它们大部分是相互独立的。这里有两个 pseudo-code 程序可能看起来像的例子：

程序A：

begin
write command a1 on serial port
wait for one second
perform some computations
write command a2 on serial port
wait for one second
end

程序B：

begin
while true:
    write command b1 on serial port
    read the response from serial port
    perform some computations
    if a condition holds return, otherwise continue
end

我的解决方案及其问题：

为简化情况，假设只有一台设备需要与之通信。由于程序可以同时执行（并且一次只有一个程序可以通过串口与设备通信）我为每个程序创建了一个线程和一个工作人员class，并将工作人员移动到他们对应的线程。为了在访问串行端口时同步程序，我创建了一个互斥体：

MainWindow.h

class MainWindow : public QMainWindow {

public:
    //...
    QSerialPort*    serial_;
    QMutex      serial_mutex_;

private:
    //...
    ProcAWorker*    proca_worker;
    ProcBWorker*    procb_worker;
    ProcCWorker*    procc_worker;
    ProcDWorker*    procd_worker;

    QThread     proca_thread;
    QThread     procb_thread;
    QThread     procc_thread;
    QThread     procd_thread;

}

MainWindow.cpp

void MainWindow::onConnectButtonClicked()
{
    serial_ = new QSerialPort();
    // configure serial port settings

    serial_->open(QIODevice::ReadWrite);
}

void MainWindow::onButtonAClicked()
{
    proca_worker = new ProcAWorker(0, this);   // pass a pointer to this class to be able to access its methods and members
    proca_worker->moveToThread(&proca_thread);

    // setup worker-thread connections: started, quit, finished, etc.

    proca_thread.start();    // triggers `proccess` slot in proca_worker
}

// same thing for other buttons and procedures

ProcAWorker.cpp

void ProcAWorker::ProcAWorker(QObject *parent, QMainWindow *wnd) :
    QObject(parent), wnd_(wnd)
{

}

void ProcAWorker::process()
{
    wnd_->serial_mutex_->lock();
    wnd_->serial_->write('Command a1');   // Warning occurs in this line
    bool write_ok = client_->serial_->waitForBytesWritten(SERIAL_WRITE_TIMEOUT);
    wnd_->serial_mutex_->unlock();

    QThread::sleep(1);
    // perform some computations

    wnd_->serial_mutex_->lock();
    wnd_->serial_->write('Command a2');
    bool write_ok = client_->serial_->waitForBytesWritten(SERIAL_WRITE_TIMEOUT);
    wnd_->serial_mutex_->unlock();

    if (write_ok) {
        // signal successful to main window
        emit success();
    }
}

但是，当对串口执行写操作时（即wnd_->serial_->write('Command a1');），显示如下警告：

QObject: Cannot create children for a parent that is in a different thread. (Parent is QSerialPort(0x18907d0), parent's thread is QThread(0x13cbc50), current thread is QThread(0x17d8d08)

我的问题：

1) 我已经查看了 Whosebug 上关于此警告的其他问题，但他们的回答只提到应该使用 signal/slot。我熟悉使用 signal/slot 与工作线程通信。但是，我无法弄清楚如何使用 signal/slot 实现我的特定场景（同时运行ning 过程与共享资源，如串口），或者我如何修改我当前的解决方案来解决这个问题？请注意，应允许程序运行并行（除非在它们想要与设备通信的那些时刻）。显然可以运行按顺序执行这些程序（即一个接一个），但我不是在寻找这样的解决方案。

2) 实际上还有一个"Halt" 按钮可以停止所有运行ning 程序并向设备发送停止命令。但我也想不出实现这个功能（设置标志、发送退出信号等）。能否请您在这方面也给我一些提示？

Answer 1

首先，您不需要显式多线程（它是可选的），其次您不需要任何手动管理的同步原语。

然后，使用状态机为每个过程建模。希望通信协议允许每个过程识别对自己命令的响应，这样即使您将传入数据复制到所有过程，它们也会忽略与它们无关的数据。

has a sketch of a solution that does exactly what you want, sans multiplexing. Multiplexing a QIODevice is trivial when you expose it via local pipes：从端口传入的所有内容都写入一个或多个本地管道的一端。从管道传入的所有内容都写入端口。只要您以 Unbuffered 模式打开它们的过程结束，管道就会保持数据包的完整性。这样每个 write 将作为连续的字节块到达串行端口，并以相同的方式写入端口。

你会如何复用？像这样：

class IODeviceMux : public QObject {
  Q_OBJECT
  QVector<QPointer<AppPipe>> m_portPipes;
  QVector<QPointer<AppPipe>> m_userPipes;
  QPointer<QSerialPort> m_port;
public:
  IODeviceMux(QObject *parent = {}) : QObject(parent) {}
  void setPort(QIODevice *port) {
    if (m_port) {
      disconnect(m_port.get(), 0, this, 0);
      m_userPipes.removeAll({});
      for (auto pipe : qAsConst(m_userPipes))
        disconnect(m_port.get(), 0, pipe.get(), 0);
    }
    m_port = port;
    connect(m_port.get(), &QIODevice::readyRead, this, &IODeviceMux::onPortRead);
  }
  AppPipe *getPipe() {
    QScopedPointer<AppPipe> user(new AppPipe(QIODevice::ReadWrite | QIODevice::Unbuffered));
    auto *port = new AppPipe(QIODevice::ReadWrite | QIODevice::Unbuffered, this);
    user->addOther(port);
    connect(port, &QIODevice::readyRead, this, &IODeviceMux::onPipeRead);
    connect(m_port.get(), &QIODevice::bytesWritten, user.get(), &QIODevice::bytesWritten);
    connect(user, &QObject::destroyed, port, &QObject::deleteLater);
    m_userPipes.push_back(user.get());
    m_portPipes.push_back(port);
    return user.take();
  } 
private:
  void onPortRead() {
    if (!m_port) return;
    auto data = m_port->readAll();
    m_portPipes.removeAll({});
    for (auto pipe : qAsConst(m_portPipes))
      pipe->write(data);
  }
  void onPipeRead() {
    auto *pipe = qobject_cast<AppPipe*>(sender());
    QByteArray data;
    if (pipe) data = pipe->readAll();
    if (m_port) m_port->write(data);
  }
};

每个过程都会 getPipe() 并将管道视为串行端口设备。每个 write 进入管道都会在端口上忠实地执行。端口上的每个 readyRead 都被忠实地转发，相同的数据量可以立即读取。连端口的bytesWritten都转发了。但是 bytesToWrite 不起作用 - 它总是 returns 零。这可以通过向 AppPipe 添加一个选项来查询此值来解决。

我想这就是让它正常工作所需的全部内容。

Qt 应用程序中具有共享资源的工作线程

Worker threads with shared resources in Qt application

c++

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qt

serial-port

serial-communication

我的解决方案及其问题：