基于Qt的智能終端服務(wù)器及其在造紙工業(yè)中的應(yīng)用

張?zhí)煊?/p>

（天津環(huán)球磁卡股份有限公司，天津，300202）

1 Qt

1.1 Qt是什么

[1]Qt是一個1991年由奇趣科技開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。它既可以開發(fā)GUI程序，也可用于開發(fā)非GUI程序，比如控制臺工具和服務(wù)器。Qt是面向?qū)ο蟮目蚣埽褂锰厥獾拇a生成擴展 （稱為元對象編譯器 (Meta Object Compiler,moc)）以及一些宏，易于擴展，允許組件編程。2008年，奇趣科技被諾基亞公司收購，QT也因此成為諾基亞旗下的編程語言工具。2012年，Qt被Digia收購。

1.2 Qt平臺支持

● MS/Windows-95、98、NT4.0、ME、2000、XP、Vista、Win7、win8、win2008。

● Unix/X11-Linux、SunSolaris、HP-UX、CompaqTru64 UNIX、IBMAIX、SGI IRIX、FreeBSD、BSD/OS 和其它很多X11平臺。

●Macintosh-Mac OS X。

●Embedded-有幀緩沖 (framebuffer)支持的嵌入式Linux平臺，Windows CE。

1.3 Qt Creator

Qt Creator是Qt開發(fā)跨平臺 IDE，Qt Creator和Qt共同構(gòu)成的Qt SDK，包含了開發(fā)跨平臺應(yīng)用程序所需的全部功能。

Qt Creator是一個用于Qt開發(fā)的輕量級跨平臺集成開發(fā)環(huán)境。Qt Creator可提供首個專為支持跨平臺開發(fā)而設(shè)計的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。

Qt Creator包含了一套用于創(chuàng)建和測試基于Qt應(yīng)用程序的高效工具，包括：

一個高級的C++代碼編輯器，上下文感知幫助系統(tǒng)，可視化調(diào)試器，源代碼管理，項目和構(gòu)建管理工具。

Qt Creator在LGPL2.1版本授權(quán)下有效，并且接受代碼貢獻。

Qt Linguist被稱為Qt語言家。它的主要任務(wù)只是讀取翻譯文件、為翻譯人員提供友好的翻譯界面，它是用于界面國際化的重要工具。

Linguist工具從4.5開始可以支持Gettext的PO文件格式。

Qt的良好封裝機制使得 Qt的模塊化程度非常高，可重用性較好，對于用戶開發(fā)來說是非常方便的。 Qt提供了一種稱為 signals/slots的安全類型來替代callback，這使得各個元件之間的協(xié)同工作變得十分簡單。

Qt包括多達 250個以上的C++類，還提供基于模板的 collections，serialization， file，I/O device，directory management，date/time類。甚至還包括正則表達式的處理功能。

支持 2D/3D圖形渲染，支持 OpenGL，支持XML。

2 多線程

2.1 概念

[2]在一個程序中，這些獨立運行的程序片段叫作“線程”（Thread），利用它編程的概念就叫作“多線程處理”。

每個正在系統(tǒng)上運行的程序都是一個進程。每個進程包含一到多個線程。進程也可能是整個程序或者是部分程序的動態(tài)執(zhí)行。線程是一組指令的集合，或者是程序的特殊段，它可以在程序里獨立執(zhí)行。也可以把它理解為代碼運行的上下文。所以線程基本上是輕量級的進程，它負責(zé)在單個程序里執(zhí)行多任務(wù)。通常由操作系統(tǒng)負責(zé)多個線程的調(diào)度和執(zhí)行。

線程是程序中一個單一的順序控制流程。在單個程序中同時運行多個線程完成不同的工作，稱為多線程。

線程和進程的區(qū)別在于，子進程和父進程有不同的代碼和數(shù)據(jù)空間，而多個線程則共享數(shù)據(jù)空間，每個線程有自己的執(zhí)行堆棧和程序計數(shù)器為其執(zhí)行上下文。多線程主要是為了節(jié)約CPU時間，發(fā)揮利用，根據(jù)具體情況而定。線程的運行中需要使用計算機的內(nèi)存資源和CPU。

2.2 優(yōu)點

●使用線程可以把占據(jù)時間長的程序中的任務(wù)放到后臺去處理。

●程序的運行速度可能加快。

●在一些等待的任務(wù)實現(xiàn)上如用戶輸入、文件讀寫和網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)等，線程就比較有用了。在這種情況下可以釋放一些珍貴的資源如內(nèi)存占用等等。

2.3 缺點

●如果有大量的線程,會影響性能,因為操作系統(tǒng)需要在它們之間切換。

●更多的線程需要更多的內(nèi)存空間。

●線程可能會給程序帶來更多“bug”，因此要小心使用。

●線程的中止需要考慮其對程序運行的影響。

●通常塊模型數(shù)據(jù)是在多個線程間共享的，需要防止線程死鎖情況的發(fā)生。

2.4 Qt多線程

傳統(tǒng)的圖形用戶界面應(yīng)用程序都只有一個執(zhí)行線程，并且一次只執(zhí)行一個操作。如果用戶從用戶界面中調(diào)用一個比較耗時的操作，那么當(dāng)執(zhí)行這個操作時，雖然實際上該操作正在進行，但用戶界面通常會凍結(jié)而不再響應(yīng)，多線程正是一種解決方案。

在多線程應(yīng)用程序中，圖形用戶界面運行于它自己的線程中，而另外的事件處理過程則會發(fā)生在一個或多個其他線程中。這樣做之后，即使在處理那些數(shù)據(jù)密集的事件時，應(yīng)用程序也能對用戶界面保持響應(yīng)。當(dāng)在一個處理器上運行時，多線程應(yīng)用程序可能會比實現(xiàn)同樣功能的單線程應(yīng)用程序運行得更慢一些，無法體現(xiàn)出其優(yōu)勢。但在目前多處理器系統(tǒng)越來越普及的情況下，多線程應(yīng)用程序可以在不同的處理器中同時執(zhí)行多個線程，從而獲得更好的總體性能。

QThread提供了與平臺無關(guān)的線程。一個QThread代表單獨運行于程序的線程。在QT中使用多線程，建立一個類(Thread)繼承QThread類即可。QThread類也有一個虛函數(shù)，這個函數(shù)是run()，線程建立并啟動(QThread：：start())后，就會執(zhí)行這里面的代碼，因此，線程的邏輯過程就應(yīng)該在run()里面定義。

例如：

1.//mythread.h

2.#ifndef MYTHREAD_H

3.#define MYTHREAD_H

4.#include

5.class MyThread：public QThread

6.{

7.public：

8.MyThread();

9.MyThread(int count);

10.void run();

11.private：

12.int count;

13.};

14.#endif//MYTHREAD_H

1.//mythread.cpp

2.#include?“mythread.h”

3.#include“QThread”

4.#include

5.MyThread：：MyThread()

6.{

7.}

8.MyThread：：MyThread(int count)

9.{

10.this-＞count=count;

11.}

12.void MyThread：：run()

13.{

14.while(count<20000)

15.{

16.qDebug()<

17.}

18.}

1.//main.cpp

2.#include

3.#include?“mythread.h”

4.#include

5.int main(int argc,char*argv[])

6.{

7.QCoreApplication a(argc,argv);

8.qDebug()<<“Main Start”;

9.MyThread myThread1(0);

10.myThread1.setObjectName(“MyThread1”);

11.myThread1.start();

12.MyThread myThread2(0);

13.myThread2.setObjectName(“MyThread2”);

14.myThread2.start();

15.int c=0;

16.while(c<20000)

17.{

18.qDebug()<<“Main Thread”<

19.}

20.return a.exec();

21.}

在main函數(shù)中我定義了兩個線程，并分別設(shè)置了線程名稱。運行過程中有三個線程會可能同時運行。主函數(shù)線程，myThread1線程，myThread2線程。

我們可以通過調(diào)用 QObject：：moveToThread()來改變QObject對象和線程之前的關(guān)系，它會改變對象本身以及它的孩子與線程之前的關(guān)系。由于QObject不是線程安全的，所以我們必須在它所在的線程中使用；也就是說，你僅僅可以在他們所處的線程中把它移動到另一個線程去，而不能從其他線程中把它從所在的線程中移動過來。而且，Qt要求一個QObject對象的孩子必須和他的父親在同一個線程中，也就是說：如果一個對象有父親，那么不能使用 QObject：：moveToThread()把它移動到其他線程；不能在QThread?類中以QThread為父親創(chuàng)建對象。

面對多線程一個好的辦法是：把“工作”部分從“控制”部分分離出來，創(chuàng)建QObject子類對象，然后使用 QObject：：moveToThread()來改 變 對 象 所 在 的 線程。

例如：

22.class Worker：public QObject

23.{

24.Q_OBJECT

25.

26.public slots：

27.void doWork(){

28./*...*/

29.}

30.};

31.

32./*...*/

33.QThread*thread=new QThread;

34.Worker*worker=new Worker;

35.connect(obj,SIGNAL(workReady()),worker,SLOT(doWork()));

36.worker-＞moveToThread(thread);

37.thread-＞start();

這是Qt4.7及以后版本推薦的工作方式。其主要特點就是利用Qt的事件驅(qū)動特性，將需要在次線程中處理的業(yè)務(wù)放在獨立的模塊（類）中，由主線程創(chuàng)建完該對象后，將其移交給指定的線程，且可以將多個類似的對象移交給同一個線程。

2.5 應(yīng)該做&不應(yīng)該做

可以…

●在QThread子類中添加信號。這是很安全的，而且可以“正確工作”（前面提到；發(fā)送者所在線程是無關(guān)緊要的）

不應(yīng)該…

●使用moveToThread(this)

●強制連接類型：這通常說明你在做一些錯誤的事情，例如混合了QThread控制接口和程序邏輯（它應(yīng)該在該線程創(chuàng)建的對象中）

●在QThread子類中增加槽函數(shù)：它們會在 “錯誤的”線程中被調(diào)用，不是在QThread管理的線程中，而是在QThread對象創(chuàng)建的線程，迫使你使用direct connection或使用moveToThread(this)函數(shù)

● 使用 QThread：：terminate 函數(shù)

禁止…

●在線程還在運行時退出程序。應(yīng)使用 QThread：：wait等待線程終止

●當(dāng)QThread管理的線程還在運行時，刪除QTread對象。如果你想要“自動析構(gòu)”，你可以將finished()信號連接到deleteLater()槽函數(shù)上

3 TCP網(wǎng)絡(luò)通訊

3.1 概念

[3]Transmission Control Protocol傳輸控制協(xié)議TCP是一種面向連接（連接導(dǎo)向）的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層（Transport layer）通信協(xié)議，由 IETF的RFC 793說明（specified）。TCP在IP報文的協(xié)議號是6。在簡化的計算機網(wǎng)絡(luò)OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能，UDP是同一層內(nèi)另一個重要的傳輸協(xié)議。

3.2 Qt—tcp

[4]Qt提供了QTcpSocket類，它將實現(xiàn)TCP傳輸協(xié)議。TCP是一個可靠的面向連接的協(xié)議，它按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的數(shù)據(jù)流形式進行操作。這個協(xié)議可以用于創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)客戶端和服務(wù)器應(yīng)用程序。若要創(chuàng)建服務(wù)器應(yīng)用程序，還需要QTcpServer類來處理引用的TCP連接。

對于服務(wù)器來說，多線程的這個特性太有用了，因為多線程使得服務(wù)器可能同時響應(yīng)多個客戶端的請求，所以現(xiàn)在服務(wù)器大多采用多線程。

不管是多線程，還是服務(wù)器，QT中已經(jīng)封裝好了特定的類，所以使用起來也很方便。下面建立一個支持多線程、TCP的服務(wù)器。

首先建立一個服務(wù)器。新建一個類(Server)繼承QT中的QTcpServer類即可。服務(wù)器的職責(zé)是監(jiān)聽端口。當(dāng)監(jiān)聽到有客戶端試圖與服務(wù)器建立連接的時候，分配socket與客戶端連接，再進行數(shù)據(jù)通信。QTcpServer的listen()方法執(zhí)行監(jiān)聽過程，可以指定監(jiān)聽的地址和端口。若給定了QHostAddress類型的監(jiān)聽地址，則監(jiān)聽該地址，否則，監(jiān)聽所有地址；若給定了quint16類型的監(jiān)聽端口，則監(jiān)聽該端口，否則，隨機選定一個監(jiān)聽端口。

例如：

if(!tcpServer.listen(QHostAddress：：Any,9999)){

QMessageBox：：critical(this,tr("Fortune Server"),

tr("Unable to start the server：%1.")

.arg(tcpServer.errorString()));

close();

return;

}

QString ipAddress;

QList

for(int i=0;i

if(ipAddressesList.at(i)!=QHostAddress：：LocalHost&&

ipAddressesList.at(i).toIPv4Address()){

ipAddress=ipAddressesList.at(i).toString();

break;

}

}

if(ipAddress.isEmpty())

{

ipAddress=QHostAddress(QHostAddress：：LocalHost).toString();

}

QTcpServer有一個虛函數(shù)incomingConnection(int socketDescriptor)，服務(wù)器每當(dāng)監(jiān)聽到一個客戶端試圖建立連接的時候，會自動調(diào)用這個函數(shù)，因此，處理這個請求的過程就可以在這個函數(shù)中，即在子類Server的定義階段，重新定義incomingConnection(int socketDescriptor)這個函數(shù)。

對于一個多線程的服務(wù)器，每當(dāng)客戶端試圖連接的時候，服務(wù)器應(yīng)該啟動一個線程，負責(zé)對這個客戶端進行服務(wù)，所以，incomingConnection()這個函數(shù)所要做的就是建立一個線程，而所建立的線程的作用就是對客戶端進行服務(wù)，而這其中建立socket連接是基礎(chǔ)。服務(wù)器在監(jiān)聽到客戶端試圖建立socket連接時，會為此socket分配一個唯一的標識socket-Descriptor，這個標識將在服務(wù)器端建立socket連接時使用，所以應(yīng)提供給每一個線程。QTcpServer只負責(zé)監(jiān)聽，不會通訊。當(dāng)它發(fā)現(xiàn)有連接請求時，他會給出一個socketDescriptor，只要用這個描述符創(chuàng)建一個socket就會連接到對方。

例如：

QThread*thread=new QThread();

readMes*readthread=new readMes(socketDescriptor);

readthread-＞moveToThread(thread);

thread-＞start();

…

m_tcpClient=new QTcpSocket();

m_tcpClient-＞setSocketDescriptor(m_socketDescriptor);

…

/

***********************************************************************/

void readMes：：recevieData()

{

qDebug()<

quint16 i,iSize,iRecLen;

QString tmp;

QDataStream in(m_tcpClient);

in.setVersion(QDataStream：：Qt_4_0);

if(m_tcpClient-＞bytesAvailable()<(int)sizeof(quint16))return;

in＞＞iSize;

if(m_tcpClient-＞bytesAvailable()

m_baRecData.clear();

m_recStr.clear();

in＞＞m_iRecCmd;

in＞＞m_iRecFactor;

in＞＞m_iRecLen;

in＞＞m_recStr;

if(m_iRecLen!=iRecLen){

qDebug()<

return;

}

tcpRecFinished(m_iRecCmd);

}

/

***********************************************************************/

void readMes：：sendDatatoClient(quint16 test1,quint16 test2,quint16 test3,QByteArray &data,quint8 chk)

{

QByteArray block;

QDataStream out(&block,QIODevice：：WriteOnly);

out.setVersion(QDataStream：：Qt_4_0);

out<<(quint16)0;

out<<(quint16)test1;//test1

out<<(quint16)test2;//test2

out<<(quint16)test3;//test3

out<

out<<(qint8)chk;

out.device()-＞seek(0);

out<< (quint16)(block.size ()-sizeof(quint16));

m_tcpClient-＞write(block);

m_tcpClient-＞flush();

}

/

***********************************************************************/

void readMes：：sendStringtoClient(quint16 test1,quint16 test2,quint16 test3,QStringList¶)

{

QByteArray block;

QDataStream out(&block,QIODevice：：WriteOnly);

out.setVersion(QDataStream：：Qt_4_0);

out<<(quint16)0;

out<<(quint16)test1;//test1

out<<(quint16)test2; //test2

out<<(quint16)test3;//test3

for(int i=0;i

out<

out.device()-＞seek(0);

out<< (quint16)(block.size()-sizeof(quint16));

m_tcpClient-＞write(block);

m_tcpClient-＞flush();

}

/

**********************************************************************/

可以通過QDataStream向socket中讀取，寫入數(shù)據(jù)，達到客戶端和服務(wù)端通訊的目的。為了保證在客戶端能接收到完整的文件，在數(shù)據(jù)流的最開始寫入完整文件的大小信息，這樣客戶端就可以根據(jù)大小信息來判斷是否接收到了完整的文件。同理，客戶端向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)時也要包含文件大小信息，便于服務(wù)器進行讀取。

3.3 界面

每一臺機器與服務(wù)器建立連接，就會在服務(wù)器的界面上增加一條記錄。可以通過勾選，對任意一臺機器的文件選擇上傳/下載。原理是：通過TCP服務(wù)器，向客戶端發(fā)送控制命令，客戶端根據(jù)收到的控制命令，啟動一個FTP服務(wù)，進而通過FTP進行文件的上傳下載。

對于造紙工業(yè)而言，我們可以將各個部分的機器的狀態(tài)，如：電壓、電流、溫度、濕度等，實時的上傳到服務(wù)器上，服務(wù)器可以直觀的將這些數(shù)據(jù)顯示出來，我們也可以利用這些數(shù)據(jù)對當(dāng)前設(shè)備生產(chǎn)狀況進行分析，通過服務(wù)端更改設(shè)置，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥骋辉O(shè)備，進而控制該設(shè)備，如：升溫、降溫。體現(xiàn)了友好的人機對話。我們可以通過電腦，掌握所有設(shè)備的實時動態(tài)，進而控制設(shè)備，大大提升了工作效率，而且降低了設(shè)備的故障率。通過對數(shù)據(jù)進行更進一步的分析，結(jié)合產(chǎn)量，我們可以得出當(dāng)設(shè)備工作在哪種狀態(tài)下，它的效率是最高的。通過對工藝參數(shù)的更改，進一步提升產(chǎn)品質(zhì)量。

3.4 心跳機制

判斷對方（設(shè)備，進程或其它網(wǎng)元）是否正常動行，一般采用定時發(fā)送簡單的通訊包，如果在指定時間段內(nèi)未收到對方響應(yīng)，則判斷對方已經(jīng)當(dāng)?shù)簟Ｓ糜跈z測TCP的異常斷開。

這里采用的思路是：客戶端連接上服務(wù)端以后，服務(wù)端維護一個計數(shù)器，客戶端每隔一段時間，向服務(wù)器發(fā)送一個心跳包，服務(wù)器接收到包以后，計數(shù)器的值都會更新為0；一旦服務(wù)端超過規(guī)定時間沒有接收到客戶端發(fā)來的包，計數(shù)器的值將會加1，當(dāng)計數(shù)器的值累計大于等于3，則視為掉線。

例如：

maxHeart=0;

heartBeatNum=0;

timer=new QTimer(this);

connect(timer,SIGNAL(timeout()),this,SLOT(receiveHeartBeat()));

timer-＞start(5000);

timer2=new QTimer(this);

connect(timer2,SIGNAL(timeout()),this,SLOT(heartBeatTest()));

timer2-＞start(1000);

…

void readMes：：receiveHeartBeat()

{

if(heartBeatNum＞5)

maxHeart++;

if(maxHeart＞=3)

{

timer-＞stop();

timer2-＞stop();

//

emit clientMiss(m_socketDescriptor);

clientMissSLOT();

}

}

void readMes：：heartBeatTest()

{

heartBeatNum++;

qDebug()<

}

4 結(jié)語

對于服務(wù)器來說，多線程的這個特性太有用了，因為多線程使得服務(wù)器可以同時響應(yīng)多個客戶端的請求，所以現(xiàn)在服務(wù)器大多采用多線程。程序運行效率的提高，也進一步優(yōu)化了用戶體驗。應(yīng)用于造紙行業(yè)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程及生產(chǎn)信息的系統(tǒng)集成、共享、監(jiān)控，提高了公司的生產(chǎn)管理水平；實時監(jiān)測工藝參數(shù)判定信息，加強了質(zhì)量監(jiān)管，實現(xiàn)了全程質(zhì)量管理；對關(guān)鍵生產(chǎn)工藝過程參數(shù)的監(jiān)控和干預(yù)，改善和提升產(chǎn)品質(zhì)量；對關(guān)鍵設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控和分析，降低設(shè)備事故、提升設(shè)備產(chǎn)能?？梢灶A(yù)料，將計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于造紙工業(yè)，將對造紙行業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動作用。

[1]Stanley B.Lippman,Josee Lajoie,Barbara E.Moo.C++Primer[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2]孫鑫,余安萍.VC++深入詳解 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]Jasmin Blanchette,MarkSummerfield.C++GUI Programming with Qt 4[M].Prentice Hall，2006.

[4]（美）史蒂文斯（W.RichardStevens） 著，范建華等譯.TCP/IP詳解[M].機械工業(yè)出版社，2008.