生产者消费者模式最佳实践

article/2025/9/29 9:20:21

测试环境：ubuntu18.04+opencv4.2+Qt

一个生产者-消费者模式下的视频处理框架。基础结构：视频读取类线程不断读取视频帧，处理类线程对图像进行处理，之后通过信号与槽机制在主线程中显示。特点：视频读取、处理为独立线程，主线程中只做显示调度。

应用一、显示主线程等待处理线程处理完后显示图像。

首先需要定义全局变量：

g_base.h文件：

#ifndef G_BASE_H
#define G_BASE_H#include <QMutex>
#include <QWaitCondition>
#include <opencv2/opencv.hpp>extern cv::Mat g_img; // 全局图像
extern int g_fNum; // 全局图像帧计数器extern QMutex g_m_reader;
extern QWaitCondition g_wc_reader;extern QMutex g_m_proc;
extern QWaitCondition g_wc_proc;#endif // G_BASE_H

g_base.cpp文件：

#include g_base.hcv::Mat g_img; // 全局图像
int g_fNum = 0; // 全局图像帧计数器QMutex g_m_reader;
QWaitCondition g_wc_reader;QMutex g_m_proc;
QWaitCondition g_wc_proc;

.cpp中定义全局变量并初始化，.h中做导出。其它文件引用时，只需加载头文件，而不必担心重复引用问题。

qreader.cpp读取类关键代码：

while(true)
{g_m_reader.lock(); // 加锁，保护下面代码qDebug()<< "QReader run(), tid :" << QThread::currentThreadId();cap.read(g_img);if (g_img.empty()){qDebug() << "===> image empty.";continue;}g_m_reader.unlock(); // 解锁g_wc_reader.wakeAll(); // g_wc_reader信号量唤醒
}

qprocess.cpp视频处理类关键代码：

while(true)
{g_m_proc.lock(); // 加锁，保护下面代码g_wc_reader.wait(&g_m_proc); // 等待视频解码信号量g_wc_reader唤醒qDebug()<< "QProcess run(), tid :" << QThread::currentThreadId();msleep(60);qDebug()<< "process nFrame =" << nFrame;emit processed(g_img, nFrame); // 发送信号。此处未做线程同步，需深拷贝数据g_m_proc.unlock(); // 解锁g_wc_proc.wakeAll();  // g_wc_proc信号量唤醒，本示例未使用
}

manager.cpp管理类关键代码：

// 信号与槽关系，线程开启初始化
QManager::QManager(const std::string& url):m_reader(url)
{connect(&m_timer, SIGNAL(timeout()), this, SLOT(onTimeOut()));connect(&m_proc, SIGNAL(processed(cv::Mat &, int)), this, SLOT(onImageProcessed(cv::Mat &, int)));m_t1 = new QThread();m_reader.moveToThread(m_t1);QObject::connect(m_t1, &QThread::started, &m_reader, &QReader::run);m_t2 = new QThread();m_proc.moveToThread(m_t2);QObject::connect(m_t2, &QThread::started, &m_proc, &QProcess::run);m_t1->start();m_t2->start();
}// GUI线程显示槽函数
void QManager::onImageProcessed(cv::Mat &img, int ret)
{double t = (double)cv::getTickCount();qDebug()<< "QManager onImageProcessed(), tid :" << QThread::currentThreadId();int nFrame = ret;cv::Mat frame = img;cv::putText(frame, frame  + std::to_string(nFrame), cv::Point(int(200), int(100)),cv::FONT_HERSHEY_PLAIN, 3, cv::Scalar(255, 0, 0), 2, 8, 0);cv::imshow(video, frame);t = ((double)cv::getTickCount() - t) * 1000 / cv::getTickFrequency();qDebug() << "nFrame =" << nFrame << ", Show time for a frame :" << t << "ms.";
}

结果：

应用二、视频读取类等待处理类处理完毕后再读取下一帧。

qreader.cpp读取类改动部分：

bool is_start = false;
while(true)
{g_m_reader.lock(); // 加锁，保护下面代码if (is_start) // 第一次读取，开启循环，之后等待处理结果后才解码。g_wc_proc.wait(&g_m_reader);elseis_start = true;...

应用三、固定帧率显示图像结果。

将主线程显示改为Timer定时拿取结果显示。

manager.h头文件定义：

#include <QTimer>
... QTimer m_timer; // 定时器

manager.cpp添加：

QManager::QManager(const std::string& url):m_reader(url)
{connect(&m_timer, SIGNAL(timeout()), this, SLOT(onTimeOut()));...m_timer.start(40); // 定时器40ms读取一次数据
}// 定时器到时处理槽函数
void QManager::onTimeOut()
{double t = (double)cv::getTickCount();qDebug()<< "QManager onTimeOut(), tid :" << QThread::currentThreadId();int nFrame = g_fNum;cv::Mat frame = g_img;cv::putText(frame, frame  + std::to_string(nFrame), cv::Point(int(200), int(100)),cv::FONT_HERSHEY_PLAIN, 3, cv::Scalar(255, 0, 0), 2, 8, 0);cv::imshow(video, frame);t = ((double)cv::getTickCount() - t) * 1000 / cv::getTickFrequency();qDebug() << "nFrame =" << nFrame << ", Show time for a frame :" << t << "ms.";
}

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