基于Qt的線程池服務(wù)器的研究與應(yīng)用

劉 飛，張衛(wèi)強(qiáng)，羅 彤

(寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波315211)

0 引言

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模型中，服務(wù)器收到一個(gè)客戶端請求后，創(chuàng)建一個(gè)新線程，由該線程執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)完成后，線程退出，即“即時(shí)創(chuàng)建，即時(shí)刪除”，對服務(wù)器來說創(chuàng)建線程已經(jīng)比創(chuàng)建進(jìn)程節(jié)約了不少時(shí)間，但是如果大量的客戶端對服務(wù)器過于頻繁的進(jìn)行連接，該服務(wù)器就將在創(chuàng)建和刪除線程的過程中耗費(fèi)大量時(shí)間［1］。所以減少創(chuàng)建和銷毀對象，尤其是減少很耗資源的對象成為提高服務(wù)程序效率的重要手段之一。線程池是一組預(yù)先創(chuàng)建的線程，快速、容易地處理收到的業(yè)務(wù)。比起傳統(tǒng)的“即時(shí)創(chuàng)建，即時(shí)刪除”的模型，該類型服務(wù)器節(jié)省了創(chuàng)建和回收線程的開銷，響應(yīng)更快，效率更高［2］。

為高圖形用戶界面的響應(yīng)速度，Qt提供豐富的多線程編程支持［］，而為減少Q(mào)t創(chuàng)建和刪除線程的開銷，Qt又提供了線程池技術(shù)的支持。為降低基于Qt的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器頻繁的創(chuàng)建線程的開銷，本文就Qt線程池技術(shù)進(jìn)行分析，研究其運(yùn)行機(jī)制，并運(yùn)用該技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)器模型。

1 Qt的線程池類和QTcpServer類

Qt提供了與平臺無關(guān)的線程類，在Qt系統(tǒng)中與線程池相關(guān)的最重要的類是QThreadPool和QRunnable。QThreadPool用于管理一批線程，它負(fù)責(zé)管理和回收單個(gè)線程［4］。每個(gè) Qt應(yīng)用可通過QThreadPool::globalInstance()獲得一個(gè)全局的QThreadPool對象。QRunable類表示一個(gè)任務(wù)或者一段被執(zhí)行代碼的一個(gè)接口。使用QThreadPool類來運(yùn)行一個(gè)QRunnable對象。把一個(gè)QRunnable放入了QThreadPool的運(yùn)行隊(duì)列中，只要線程是可見的，QRunnable將會被拾起并且在那個(gè)線程里運(yùn)行，QRunnable是一種輕量級的、以“run and forget”方式來在另一個(gè)線程開啟任務(wù)的抽象類，為了實(shí)現(xiàn)這一功能，要做的全部事情是派生QRunnable類，并實(shí)現(xiàn)純虛函數(shù)方法 run()［5］。

QTcpServer類不是QAbstractSocket抽象套接字類，而是繼承于QObject基類，為編寫TCP客戶端和服務(wù)器應(yīng)用程序提供一個(gè) TCP基礎(chǔ)服務(wù)類［6］。QTcpSocket類提供了基于TCP協(xié)議的通用接口，為監(jiān)聽每一個(gè)客戶端的連接，可通過調(diào)用listen()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，每當(dāng)服務(wù)器收到一個(gè)客戶端的連接請求時(shí)就會發(fā)射newConnection()信號，如果要接受待處理的連接，則可通過調(diào)用nextPendingConnection()函數(shù)，并返回一個(gè)連接的 QTcpSocket()套接字［7］，該套接字作為服務(wù)端的一個(gè)子對象，可以通過使用這個(gè)返回的套接字和客戶端進(jìn)行連接，這就意味著當(dāng)QTcpServer對象要銷毀時(shí)，該套接字也會隨之被自動刪除，即不能在其他線程中使用該套接字，如果想在其他線程中繼續(xù)使用該套接字，那么需要重載void incomingConnection(int socketDescriptor)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)將新創(chuàng)建一個(gè)QTcpSocket套接字，該函數(shù)中socketDescriptor參數(shù)是新連接的套接字描述符，然后在一個(gè)整形的待連接鏈表中將套接字存儲，最后發(fā)射信號newConnection()。

2 線程池機(jī)制

2．1 線程池技術(shù)介紹

線程池就是在進(jìn)程中先創(chuàng)建好一批線程，當(dāng)有任務(wù)到來時(shí)，就從創(chuàng)建好的線程中取出一個(gè)線程來處理該任務(wù)，任務(wù)結(jié)束之后，將線程置為空閑，放回線程池中繼續(xù)等待下次任務(wù)的到來［8］，工作過程如圖1所示。

2．2 基于Qt的線程池機(jī)制

在Qt中通過globalInstance()方法，每個(gè) Qt的應(yīng)用程序都可獲得一個(gè)全局的QThreadPool對象。

theInstance()函數(shù)功能通過Q_GLOBAL_STATIC(QThreadPool，theInstance)宏實(shí)現(xiàn)，以此返回一個(gè)全局的QThreadPool對象。此外由于QThreadPool類繼承QObject，在QThreadPool類中可以使用Qt提供的信號與槽機(jī)制。圖1為線程池工作原理。

圖1 線程池工作原理

通過上面介紹的函數(shù)就可以得到一個(gè)全局的QthreadPool，但是為了能夠調(diào)用該線程池中的一個(gè)線程，還需要提供繼承于QRunnable的一個(gè)類，從而實(shí)現(xiàn)其中的run方法。然后創(chuàng)建一個(gè)該類的對象，傳遞給void QThreadPool::Start(QRunnable*runnable，int priority)，該函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)如下所示。

該方法通過Q_D宏獲取QThreadPool命名為d的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，真正開始QThreadPool一個(gè)線程是通過enqueueTask()方法實(shí)現(xiàn)的。

enqueueTask()方法將runnable放入隊(duì)列中來管理，并喚醒QThreadPool管理的線程池中的一個(gè)線程實(shí)現(xiàn)一個(gè)繼承QRunnable類的run方法。

在默認(rèn)情況下，QthreadPool將能夠自動刪除創(chuàng)建的 QRunnable對象。使用 void QRunnable::setAutoDelete(bool autoDelete)方法可以改變這一默認(rèn)行為，但是該標(biāo)志必須在調(diào)用QThreadPool::Start()之前被設(shè)置，否則將會出現(xiàn)錯誤。

QThreadPool支持在QRunnable::run方法中通過調(diào)用tryStart(this)來多次執(zhí)行相同的QRunnable。當(dāng)最后一個(gè)線程退出run函數(shù)后，如果autoDelete啟用的話，將刪除QRunnable對象。在autoDelete啟用的情況下，調(diào)用start()方法多次執(zhí)行同一QRunnable會產(chǎn)生競態(tài)，因此要避免這樣做。

通過void setExpiryTimeout(int expiryTimeout)函數(shù)來設(shè)置線程的過期時(shí)間，默認(rèn)過期時(shí)間為30 s。如果設(shè)置expriyTimeout為一個(gè)負(fù)數(shù)，則代表禁止使用超時(shí)機(jī)制。如果要規(guī)定最大的線程數(shù)可通set-MaxThreadCount(int maxThreadCount)來設(shè)置，其參數(shù)maxThreadCount為要設(shè)置的數(shù)量，通過 void maxThreadCount()可以查詢可使用的最大線程數(shù)。為了確保該線程被釋放后可循環(huán)使用，可以通過函數(shù)void releaseThread()釋放該線程的，以便它可以被再次使用。

3 Qt線程池服務(wù)器模型的建立

在下面的步驟中，將利用線程池技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)器模型，以此介紹線程池的創(chuàng)建步驟，并通過命令客戶端對創(chuàng)建的服務(wù)器進(jìn)行測試。

3．1 主要相關(guān)代碼

首先創(chuàng)建一個(gè)繼承QTcpServer的一個(gè)類，在該類的實(shí)現(xiàn)方法中監(jiān)聽客戶端的連接每當(dāng)有客戶端連接時(shí)都會調(diào)用virtual void incomingConnection(int socketDescriptor)函數(shù)［9，10］，因此處理這個(gè)請求的過程就可以在這個(gè)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，對一個(gè)線程池的服務(wù)器，每當(dāng)客戶端試圖連接的時(shí)候，服務(wù)器從線程池中啟動一個(gè)線程，負(fù)責(zé)對這個(gè)客戶端進(jìn)行服務(wù)，所以，incomingConnection()這個(gè)函數(shù)所要做的就是建立一個(gè)線程，進(jìn)而對客戶端進(jìn)行服務(wù)。代碼如下，先添加類的前置聲明:

在myserver．cpp文件中，首先在構(gòu)造函數(shù)中通過globalInstance()函數(shù)獲取一個(gè)全局QThreadPool對象，并設(shè)置最大線程數(shù)為20，之后實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽客戶端連接。

該服務(wù)器監(jiān)聽到客戶端試圖建立一個(gè)套接字連接，該套接字將自動分配一個(gè) SocketDescriptor標(biāo)識，該標(biāo)識會在服務(wù)器連接中使用，應(yīng)當(dāng)提供給每一個(gè)線程。

服務(wù)器在監(jiān)聽到客戶端試圖建立socket連接時(shí)，會為此socket分配一個(gè)標(biāo)識socketDescriptor，該標(biāo)識在建立服務(wù)器連接時(shí)使用，所以應(yīng)提供給每一個(gè)線程。接下來派生QRunnable類，并實(shí)現(xiàn)純虛函數(shù)run()。

3．2 程序運(yùn)行測試

在Linux環(huán)境下編譯運(yùn)行服務(wù)器程序結(jié)果如圖2所示。

圖2 編譯運(yùn)行

此時(shí)，如圖2所示服務(wù)器已經(jīng)啟動，下面用Linux命令終端的telnet程序模擬一個(gè)客戶端，在telnet程序中輸入命令:open 127．0．0．1 1234(此處的127．0．01為程序中的設(shè)置的IP地址，即IPV4的本地主機(jī)地址，端口號是1234)，請求服務(wù)器進(jìn)行連接，并對其進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 客戶端

圖4 服務(wù)器端

通過以上步驟，利用線程池技術(shù)完成了一個(gè)服務(wù)器的創(chuàng)建，即使用 QThreadPool類來運(yùn)行一個(gè)QRunnable對象，它維護(hù)了一個(gè)線程池。當(dāng)客戶端請求連接時(shí)，服務(wù)器端調(diào)用已經(jīng)創(chuàng)建好的線程池中的一個(gè)線程對該客戶端請求進(jìn)行處理，如圖3所示，服務(wù)器將一個(gè)簡單的字符串“Hello world!!”傳遞給客戶端，并在命令客戶端顯示，此時(shí)服務(wù)器端打印出為該客戶端服務(wù)的線程ID，如圖4所示。通過以上測試，運(yùn)用線程池技術(shù)實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器與客戶端之間的通信。

4 結(jié)束語

針對目前多線程服務(wù)器在接受客戶端頻繁連接會增加開銷這一弱點(diǎn)，提出利用Qt線程池技術(shù)減少程序中頻繁創(chuàng)建線程的開銷的優(yōu)勢，在服務(wù)器模型中加入線程池技術(shù)的支持，即利用QThreadPool線程池來管理一組線程，每當(dāng)有客戶端連接時(shí)，就有單個(gè)線程對象來處理客戶端請求并交由該線程池管理和回收，從而減少了服務(wù)器頻繁創(chuàng)建線程的開銷，提高服務(wù)器工作效率。但是由于QRunnable并非QObject類，它沒有一個(gè)內(nèi)置的與其他組件顯式通訊的方法，必須使用底層的線程原語(比如收集結(jié)構(gòu)的枷鎖保護(hù)隊(duì)列等)來親自編寫代碼。

［1］ 曾云．基于ARM+QT平臺的嵌入式賓館客服系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)［D］．上海:東華大學(xué)，2011:25－31．

［2］ 劉新強(qiáng)，曾兵義．用線程池解決服務(wù)器并發(fā)請求的方案設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(15):141 －143．

［3］ 黃宇東，胡躍明，陳安．基于Qt的多線程技術(shù)應(yīng)用于研究［J］．軟件導(dǎo)刊，2009，8(10):40－42．

［4］ 趙祖龍．基于Qt/Embedded的嵌入式跨平臺聊天系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．信息技術(shù)，2010，34(12):144 －147．

［5］ 蔡志明，盧傳富，李立夏．精通Qt4編程［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2008．

［6］ 崔弘珂．一種空間環(huán)境下的TCP傳輸技術(shù)研究［J］．無線電通信技術(shù)，2011，37(4):21－24．

［7］ 丁林松，黃麗琴．Qt4圖形設(shè)計(jì)與嵌入式開發(fā)［M］．北京:人民郵電出版社，2009．

［8］ 汪成林．linux環(huán)境下基于SSL的安全文件傳輸系統(tǒng)研究［D］．杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2012:38－45．

［9］ 馮艷紅，何加銘，楊任爾，等．基于Android藍(lán)牙技術(shù)的健康服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．無線電通信技術(shù)，2014，40(1):61－64．85－88.

［10］馬睿．基于Qt的TCP網(wǎng)絡(luò)編程研究與應(yīng)用［J］．福建電腦，2010，26(11):138 －139．