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(hù)端請(qǐng)求后，創(chuàng)建一個(gè)新線(xiàn)程，由該線(xiàn)程執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)完成后，線(xiàn)程退出，即“即時(shí)創(chuàng)建，即時(shí)刪除”，對(duì)服務(wù)器來(lái)說(shuō)創(chuàng)建線(xiàn)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(hù)端對(duì)服務(wù)器過(guò)于頻繁的進(jìn)行連接，該服務(wù)器就將在創(chuàng)建和刪除線(xiàn)程的過(guò)程中耗費(fèi)大量時(shí)間［1］。所以減少創(chuàng)建和銷(xiāo)毀對(duì)象，尤其是減少很耗資源的對(duì)象成為提高服務(wù)程序效率的重要手段之一。線(xiàn)程池是一組預(yù)先創(chuàng)建的線(xiàn)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(lèi)型服務(wù)器節(jié)省了創(chuàng)建和回收線(xiàn)程的開(kāi)銷(xiāo)，響應(yīng)更快，效率更高［2］。

為高圖形用戶(hù)界面的響應(yīng)速度，Qt提供豐富的多線(xiàn)程編程支持［］，而為減少Q(mào)t創(chuàng)建和刪除線(xiàn)程的開(kāi)銷(xiāo)，Qt又提供了線(xiàn)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(xiàn)程的開(kāi)銷(xiāo)，本文就Qt線(xiàn)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(xiàn)程池類(lèi)和QTcpServer類(lèi)

Qt提供了與平臺(tái)無(wú)關(guān)的線(xiàn)程類(lèi)，在Qt系統(tǒng)中與線(xiàn)程池相關(guān)的最重要的類(lèi)是QThreadPool和QRunnable。QThreadPool用于管理一批線(xiàn)程，它負(fù)責(zé)管理和回收單個(gè)線(xiàn)程［4］。每個(gè) Qt應(yīng)用可通過(guò)QThreadPool::globalInstance()獲得一個(gè)全局的QThreadPool對(duì)象。QRunable類(lèi)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(lèi)來(lái)運(yùn)行一個(gè)QRunnable對(duì)象。把一個(gè)QRunnable放入了QThreadPool的運(yùn)行隊(duì)列中，只要線(xiàn)程是可見(jiàn)的，QRunnable將會(huì)被拾起并且在那個(gè)線(xiàn)程里運(yùn)行，QRunnable是一種輕量級(jí)的、以“run and forget”方式來(lái)在另一個(gè)線(xiàn)程開(kāi)啟任務(wù)的抽象類(lèi)，為了實(shí)現(xiàn)這一功能，要做的全部事情是派生QRunnable類(lèi)，并實(shí)現(xiàn)純虛函數(shù)方法 run()［5］。

QTcpServer類(lèi)不是QAbstractSocket抽象套接字類(lèi)，而是繼承于QObject基類(lèi)，為編寫(xiě)TCP客戶(hù)端和服務(wù)器應(yīng)用程序提供一個(gè) TCP基礎(chǔ)服務(wù)類(lèi)［6］。QTcpSocket類(lèi)提供了基于TCP協(xié)議的通用接口，為監(jiān)聽(tīng)每一個(gè)客戶(hù)端的連接，可通過(guò)調(diào)用listen()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，每當(dāng)服務(wù)器收到一個(gè)客戶(hù)端的連接請(qǐng)求時(shí)就會(huì)發(fā)射newConnection()信號(hào)，如果要接受待處理的連接，則可通過(guò)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(duì)象，可以通過(guò)使用這個(gè)返回的套接字和客戶(hù)端進(jìn)行連接，這就意味著當(dāng)QTcpServer對(duì)象要銷(xiāo)毀時(shí)，該套接字也會(huì)隨之被自動(dòng)刪除，即不能在其他線(xiàn)程中使用該套接字，如果想在其他線(xiàn)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(chǔ)，最后發(fā)射信號(hào)newConnection()。

2 線(xiàn)程池機(jī)制

2．1 線(xiàn)程池技術(shù)介紹

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

2．2 基于Qt的線(xiàn)程池機(jī)制

在Qt中通過(guò)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(duì)象。

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

圖1 線(xiàn)程池工作原理

通過(guò)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(xiàn)程池中的一個(gè)線(xiàn)程，還需要提供繼承于QRunnable的一個(gè)類(lèi)，從而實(shí)現(xiàn)其中的run方法。然后創(chuàng)建一個(gè)該類(lèi)的對(duì)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(guò)Q_D宏獲取QThreadPool命名為d的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，真正開(kāi)始QThreadPool一個(gè)線(xiàn)程是通過(guò)enqueueTask()方法實(shí)現(xiàn)的。

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

在默認(rèn)情況下，QthreadPool將能夠自動(dòng)刪除創(chuàng)建的 QRunnable對(duì)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(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

QThreadPool支持在QRunnable::run方法中通過(guò)調(diào)用tryStart(this)來(lái)多次執(zhí)行相同的QRunnable。當(dāng)最后一個(gè)線(xiàn)程退出run函數(shù)后，如果autoDelete啟用的話(huà)，將刪除QRunnable對(duì)象。在autoDelete啟用的情況下，調(diào)用start()方法多次執(zhí)行同一QRunnable會(huì)產(chǎn)生競(jìng)態(tài)，因此要避免這樣做。

通過(guò)void setExpiryTimeout(int expiryTimeout)函數(shù)來(lái)設(shè)置線(xiàn)程的過(guò)期時(shí)間，默認(rèn)過(guò)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(xiàn)程數(shù)可通set-MaxThreadCount(int maxThreadCount)來(lái)設(shè)置，其參數(shù)maxThreadCount為要設(shè)置的數(shù)量，通過(guò) void maxThreadCount()可以查詢(xún)可使用的最大線(xiàn)程數(shù)。為了確保該線(xiàn)程被釋放后可循環(huán)使用，可以通過(guò)函數(shù)void releaseThread()釋放該線(xiàn)程的，以便它可以被再次使用。

3 Qt線(xiàn)程池服務(wù)器模型的建立

在下面的步驟中，將利用線(xiàn)程池技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)器模型，以此介紹線(xiàn)程池的創(chuàng)建步驟，并通過(guò)命令客戶(hù)端對(duì)創(chuàng)建的服務(wù)器進(jìn)行測(cè)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(lèi)，在該類(lèi)的實(shí)現(xiàn)方法中監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端的連接每當(dāng)有客戶(hù)端連接時(shí)都會(huì)調(diào)用virtual void incomingConnection(int socketDescriptor)函數(shù)［9，10］，因此處理這個(gè)請(qǐng)求的過(guò)程就可以在這個(gè)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，對(duì)一個(gè)線(xiàn)程池的服務(wù)器，每當(dāng)客戶(hù)端試圖連接的時(shí)候，服務(wù)器從線(xiàn)程池中啟動(dòng)一個(gè)線(xiàn)程，負(fù)責(zé)對(duì)這個(gè)客戶(hù)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(xiàn)程，進(jìn)而對(duì)客戶(hù)端進(jìn)行服務(wù)。代碼如下，先添加類(lèi)的前置聲明:

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

該服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)到客戶(hù)端試圖建立一個(gè)套接字連接，該套接字將自動(dòng)分配一個(gè) SocketDescriptor標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)會(huì)在服務(wù)器連接中使用，應(yīng)當(dāng)提供給每一個(gè)線(xiàn)程。

服務(wù)器在監(jiān)聽(tīng)到客戶(hù)端試圖建立socket連接時(shí)，會(huì)為此socket分配一個(gè)標(biāo)識(shí)socketDescriptor，該標(biāo)識(shí)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(xiàn)程。接下來(lái)派生QRunnable類(lèi)，并實(shí)現(xiàn)純虛函數(shù)run()。

3．2 程序運(yùn)行測(cè)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(dòng)，下面用Linux命令終端的telnet程序模擬一個(gè)客戶(hù)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(hào)是1234)，請(qǐng)求服務(wù)器進(jìn)行連接，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 客戶(hù)端

圖4 服務(wù)器端

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

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前多線(xiàn)程服務(wù)器在接受客戶(hù)端頻繁連接會(huì)增加開(kāi)銷(xiāo)這一弱點(diǎn)，提出利用Qt線(xiàn)程池技術(shù)減少程序中頻繁創(chuàng)建線(xiàn)程的開(kāi)銷(xiāo)的優(yōu)勢(shì)，在服務(wù)器模型中加入線(xiàn)程池技術(shù)的支持，即利用QThreadPool線(xiàn)程池來(lái)管理一組線(xiàn)程，每當(dāng)有客戶(hù)端連接時(shí)，就有單個(gè)線(xiàn)程對(duì)象來(lái)處理客戶(hù)端請(qǐng)求并交由該線(xiàn)程池管理和回收，從而減少了服務(wù)器頻繁創(chuàng)建線(xiàn)程的開(kāi)銷(xiāo)，提高服務(wù)器工作效率。但是由于QRunnable并非QObject類(lèi)，它沒(méi)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(xiàn)程原語(yǔ)(比如收集結(jié)構(gòu)的枷鎖保護(hù)隊(duì)列等)來(lái)親自編寫(xiě)代碼。

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