Qt基于信号量QSemaphore实现的生产者消费者模型

在 Qt 中，信号量（QSemaphore）是一种用于控制对共享资源访问的同步工具。它允许一定数量的线程同时访问共享资源，适合用于生产者-消费者模型。

代码实现

#include <QCoreApplication>
#include <QThread>
#include <QSemaphore>
#include <QDebug>
#include <QQueue>
#include <QMutex>

const int BUFFER_SIZE = 5;

QQueue<int> buffer; // 共享缓冲区
QSemaphore freeSpace(BUFFER_SIZE); // 空闲空间信号量
QSemaphore usedSpace(0); // 已使用空间信号量
QMutex mutex; // 保护缓冲区的互斥锁

// 生产者线程
class Producer : public QThread {
protected:
    void run() override {
        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            freeSpace.acquire(); // 等待空闲空间
            mutex.lock();
            buffer.enqueue(i);
            qDebug() << "Produced:" << i;
            mutex.unlock();
            usedSpace.release(); // 增加已使用空间
            QThread::msleep(100); // 模拟生产耗时
        }
    }
};

// 消费者线程
class Consumer : public QThread {
protected:
    void run() override {
        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            usedSpace.acquire(); // 等待已使用空间
            mutex.lock();
            int value = buffer.dequeue();
            qDebug() << "Consumed:" << value;
            mutex.unlock();
            freeSpace.release(); // 增加空闲空间
            QThread::msleep(200); // 模拟消费耗时
        }
    }
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    QCoreApplication app(argc, argv);

    Producer producer;
    Consumer consumer;

    producer.start();
    consumer.start();

    producer.wait();
    consumer.wait();

    return app.exec();
}

代码说明

1、共享资源：

buffer 是一个共享的队列，用于存储生产者生成的数据。

2、信号量：

freeSpace：表示缓冲区中的空闲空间数量，初始值为 BUFFER_SIZE。
usedSpace：表示缓冲区中已使用的空间数量，初始值为 0。

3、互斥锁：

mutex 用于保护对 buffer 的访问，确保生产者和消费者不会同时操作缓冲区。

4、生产者线程：

调用 freeSpace.acquire() 等待空闲空间。
使用 mutex.lock() 保护缓冲区，将数据放入缓冲区。
调用 usedSpace.release() 增加已使用空间。

5、消费者线程：

调用 usedSpace.acquire() 等待已使用空间。
使用 mutex.lock() 保护缓冲区，从缓冲区取出数据。
调用 freeSpace.release() 增加空闲空间。

为什么必须使用两个信号量？

1、精准控制两种状态：

freeSpace 确保生产者在缓冲区未满时才能生产。
usedSpace 确保消费者在缓冲区非空时才能消费。

2、避免竞争条件：

生产者和消费者通过不同的信号量等待和通知，避免因共享单一信号量导致的条件误判。

为什么不能只用一个 QSemaphore？

1、同步问题：

生产者需要等待缓冲区有空闲空间才能生产数据。
消费者需要等待缓冲区有数据才能消费数据。
如果只用一个 QSemaphore，无法同时满足这两个条件。

2、线程安全问题：

如果生产者请求资源（减少信号量），消费者释放资源（增加信号量），可能会导致信号量的值不符合实际缓冲区状态。
例如，生产者可能在缓冲区已满时继续生产，消费者可能在缓冲区为空时继续消费，导致数据不一致。

3、无法区分状态：

一个 QSemaphore 只能表示一种状态（如空闲空间或已使用空间），无法同时表示两种状态。