小目标检测（3）——msgqueue多线程通信和多线程互斥编程

引言

• 在学习老师给的目标检测的代码过程中，接触到了串口通信、相机控制以及多线程通信。在前两个文章已经介绍了串口通信使用的Pcomm库，大恒相机的具体控制，具体链接如下：

  • 串口通信使用Pcomm库，链接
  • 大恒相机控制程序，链接

• 在本文中，将具体介绍多线程的信息传递的具体实现。因为在最终的程序中，需要同时控制四个相机，并且要同时完成图片处理和控制的多个任务，所以必不可少，要使用多线程。程序中对于消息通信机制，是借鉴了Sogou C++ Workflow这个项目。

• 这里就结合这个程序简单分析一下。

• 这里主要是偏向文字的分析比较多，有一片有图的博客，可以参考一下

  • 基本信号量的解释
  • 读者写者问题的具体分析

正文

• 这里使用了两个队列，一个是生产者放入消息的队列，一个是消费者取走消息的队列，两个队列进行互换，实现消息的传递。
• 之前虽然接触过进程锁之类的编程，但是都是使用自己定义的结构体来实现进程的互斥访问，并没有使用过std::mutex进行编程，而且线程也是自己定义的一些类的实体。
• 所以，这里首先介绍一下线程的基本要素，然后介绍一下std::mutex信号量类，接着在介绍一下std::condition_variable同步线程类的使用，最后在介绍具体的实现过程。

代码的执行和线程

• 程序的编译执行过程

  • 编写源代码
  • 替换源代码中的预处理
  • 将源代码编译为汇编代码
  • 将汇编代码编译为目标代码
  • 将多个文件的目标代码进行链接
  • 将链接后的目标代码加载到内存中
  • CPU执行内存中的机器代码
  • 结束和清理分配资源

• 同一个进程的多个线程是共享代码段、数据段、堆空间的，每一个线程有自己的栈空间，寄存器。

• 多个线程之间共享和不共享的存储设备

  • 代码段：所有线程共用一个代码段，所有的线程都执行相同的程序
  • 数据段：所有线程共享数据段中的全局变量和静态变量，一般控制线程通信的都是使用全局变量
  • 堆空间 ：所有线程的空间分配都是来自于同一个堆空间，线程可以释放和分配堆上的内存。对于堆空间的合理管理，是避免线程冲突的一个主要的方面。
  • 栈空间：线程都有自己私有的栈空间，所以局部变量是线程安全的，
    • 栈空间：用于存储局部变量和函数调用的返回地址。
  • 寄存器：每一个线程都有自己的寄存器集合的副本。

• 控制进程互斥：

  • 所以，如果要控制进程互斥，就得对他们共享的空间中声明变量，也就是将互斥信号量声明为全局变量，或者静态变量，因为这二者是共享。不能在函数内部声明互斥锁变量，因为每一个线程都有自己的栈空间，意味着每一个都有一个互斥锁副本，彼此并不会有任何影响。

使用std::mutex进行编程

• std::mutex是C++标准库中的一个类，用于同步线程访问共享资源。是一个同步原语，用来保护共享数据免受多个线程同时访问。
• 注意，如果要通过mutex互斥锁来控制线程同步，一定要声明为全局变量。

mutex基本用法

• 锁定：

  • 当一个线程锁定互斥锁时，其他试图锁定该互斥锁的进程将会被阻塞，知道拥有互斥锁的线程解锁。

• 解锁

  • 拥有互斥锁的线程可以解锁他，其他线程锁定

• mutex有两种方式实现对于互斥锁的使用，分别如下

  • 使用std::lock_guard：一旦锁定，就不能解锁，除非当前作用域的变量被销毁
  • 使用std::unique_lock：一旦锁定，除了等待这个作用域的变量自动销毁，还可以自己加上unlock解锁，实现在作用域内解锁

std::lock_guard的使用

• 在下述代码中，碎语mutex进行声明对象时，会自动落锁，然后在下面的地方编辑代码，当结束方法时，会自动解锁。
• 具体样例代码如下

#include 
#include 
#include 

std::mutex mtx; // 全局互斥锁
int shared_data = 0; // 共享资源

void increment() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自动锁定互斥锁
    ++shared_data;
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " incremented shared_data to " << shared_data << '\n';
} // 锁定的互斥锁在lock对象离开作用域时自动解锁

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

• 运行结果

std::unique_lock的使用

• 不同于std::guard,std::unique_lock是需要手动落锁和解锁的，支持更加复杂的操作，支持多线程的通信操作。
• 通过lock()落锁，通过unlock()解锁
• 具体使用代码如下

std::mutex mtx;	// 必然是全局变量
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); // 构造时自动锁定mtx
// 在此处访问受保护的共享资源
lock.unlock(); // 显式解锁

// ...

lock.lock(); // 显式重新锁定
// 在此处再次访问受保护的共享资源
// 析构时自动解锁mtx

condition_variable的使用

• std::condition_variable是C++标准库中的一个类，用于同步线程，是的线程能够相互之间进行通信。这个是实现读这些这问题的根本，当信号量发生变化，要及时通知相关进程进行操作。
• 当线程需要等待某个条件成立（或某个事件发生）时，它可以使用条件变量进入睡眠状态。当条件成立时，另一个线程可以使用条件变量通知等待的线程，使其醒来并继续执行。
• 基本用法：
  • wait():通知进程进入睡眠状态，直到另外一个线程调用notify_one()或notify_all()通知它醒来，同时释放传入的互斥锁，并且下次被唤醒之后，会从wait之后的语句开始执行。
  • notify_one() 通知一个正在等待的线程，唤醒某一个线程
  • notify_all() 通知所有正在等待的线程，唤醒所有线程

wait函数的使用

• 功能描述：
  • 释放传入的互斥线程锁
  • 使执行函数的线程陷入阻塞
  • 被唤醒的线程，将会冲被阻塞的地方继续执行
  • 被唤醒的线程将重新获得互斥锁
• 参数
  • std::unique_lockstd::mutex ，传入的是进程锁的落锁语句。
• 具体使用
• 执行流程：
  • 申请了一个线程t1,执行函数waitForReady
  • 线程t1执行到第一句lock,会对互斥锁变量mtx落锁
  • 执行到wait,因为ready为false,就陷入阻塞
  • 主线程沉睡10秒钟，莫放在执行别的任务
  • 主线程执行setReady函数，将ready设置为true,并且唤醒等待的线程
  • 线程t1醒来了，重新从wait开始往下执行，直到结束

#include 
#include 
#include 
#include 
std::mutex mtx;	// 声明全局变量，互斥线程锁
std::condition_variable cv;	//声明全局条件变量
bool ready = false;		// 声明共有资源

void waitForReady() {
		// 获取线程互斥锁，落锁，其余线程并不能访问
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    // 判定是否满足执行条件，默认为false,会陷入阻塞
    while (!ready) { 
    	  // 当前线程陷入阻塞，并且释放互斥锁
    	  // 线程被唤醒之后，会重新落锁，从此出开始执行
        cv.wait(lock);
    }
    std::cout << "Ready is true, continuing execution.\n";
}

void setReady() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    ready = true;
    std::cout << "everything is ready \n";
    cv.notify_one(); // 唤醒等待的线程
}

int main() {
    std::thread t1(waitForReady);
    std::cout<<"allocate the task to thread 1"<<std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(10)); // 模拟一些工作
    setReady();
    t1.join();
    return 0;
}

• 执行效果

condition_variable的整体代码

• 多个线程进程互斥操作具体运行程序，主要是显出一点，那就是进程执行的随机性

• 具体使用代码如下

#include 
#include 
#include 
#include 

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void print_id(int id) {
		// 输出并打印编号
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    while (!ready) { // 如果条件不满足，则等待
        cv.wait(lock);
    }
    std::cout << "thread " << id << '\n';
}

void go() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    ready = true; // 改变条件
    cv.notify_all(); // 通知所有等待的线程
}

int main() {
    std::thread threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
        threads[i] = std::thread(print_id, i);

    std::cout << "10 threads ready to race...\n";
    go(); // 开始比赛

    for (auto &th : threads) th.join();

    return 0;
}

• 执行效果如下

• 结果分析
  • 这个程序和上面那个程序差不多，唯一的差异就是线程多了，由原先的一个线程变成了10个线程，而且执行的顺序是随机的，说明一个问题，那就是同时唤醒所有的进程，但是进程获取互斥锁的顺序并不是按照阻塞的顺序获取的，是随机获取的。

多线程编程的基本语句

• 通过学习上面的样例程序，仅仅知道多线程的互斥访问如何实现，但是并没有学习过多线程的基本变成，但是或多或少用到了，这里做一下总结。

• 在C++中一般使用std::thread库进行创建和管理线程，通过创建thread对象，来实现对于线程的操作

1. 构造函数

• std::thread有多个构造函数，允许你以不同的方式创建线程。最常用的构造函数接受一个函数指针或可调用对象，并将其作为新线程的入口点。

void myFunction(int x) {
    // 代码
}

int main() {
    std::thread myThread(myFunction, 42); // 传递参数给线程函数
}

2. 成员函数

• std::thread提供了一些成员函数来管理线程的生命周期和行为。以下是一些常用的成员函数：

  • join(): 等待线程完成执行。如果线程已经完成，则立即返回。
  • detach(): 允许线程独立运行。调用后，线程对象不再代表实际的线程执行。
  • joinable(): 检查线程是否可以被join或detach。
  • get_id(): 返回线程的ID。
  • hardware_concurrency(): 返回可用的并发线程数。

总结

• 对于多线程的编程，之前仅仅是在数据结构的课程设计上接触过，并没有真切接受过，这次算是有一个初步的接触了。
• 之前专门写过读者写者问题，写过哲学家进餐问题，但是都没有具体实现过，实际应用起来，还是听不一样的。
• chatGPT搜索能力还是很强的。

引用

• chatGPT-plus
• std::mutex的参考文档
• std::condition_variable的参考文档