在开发音视频播放器时,多线程设计是不可避免的挑战。音频和视频的解码、播放需要高效运行,同时还要与主线程或其他线程同步,例如通过信号通知播放进度。本文基于一个实际案例,分析了两种线程设计在死循环和信号槽使用中的表现,探讨其原因,并给出选择建议。
问题表现
我在实现音频播放线程时,遇到了一个问题:主线程通过 QMetaObject::invokeMethod 调用 terminateDecode 无法终止音频线程,而直接调用 m_audioThread->terminateDecode() 却能稳定生效。后来,我将视频解码线程改为 QObject + QThread + std::thread 的设计后,invokeMethod 开始生效。这让我疑惑:为什么死循环会影响信号槽?如何选择合适的设计?
具体表现如下:
- 音频线程(AudioPlayerThread) :
- 使用 QThread 子类,重写 run() 为死循环。
- 主线程调用 QMetaObject::invokeMethod(m_audioThread, "terminateDecode", Qt::QueuedConnection) 无效。
- 直接调用 m_audioThread->terminateDecode() 生效。
- 视频线程(m_videoWorker) :
- 使用 QObject 移入 QThread,解码死循环在 std::thread 中。
- QMetaObject::invokeMethod(m_videoWorker, "terminateDecode", Qt::QueuedConnection) 生效。
此外,音频线程需要发送 avClockUpdated 信号与视频同步,这在死循环中似乎不受影响。问题出在哪里?
原因分析
问题的根源在于 Qt 的信号槽机制与线程设计的关系,特别是事件循环的作用。
1. 信号发送(emit)不受死循环影响
-
机制:在 Qt 中,emit 一个信号会根据连接类型(Qt::DirectConnection 或 Qt::QueuedConnection)直接调用槽函数或将信号放入目标线程的事件队列。emit 本身是线程安全的,不依赖事件循环。
-
音频线程的表现 :
cppemit avClockUpdated(current_pts);
- 在 AudioPlayerThread 的死循环中,只要线程执行到 emit,信号就会发出,通知视频线程或其他组件。死循环不会阻止信号发送。
2. 信号接收需要事件循环
- 机制:当使用 Qt::QueuedConnection 调用槽函数(如 terminateDecode),Qt 会将调用请求放入目标线程的事件队列,等待事件循环处理。如果线程没有事件循环,队列中的信号无法被执行。
- 音频线程的问题 :
- run() 是一个 while (true) 死循环:
cpp
void AudioPlayerThread::run() {
while (true) {
// 等待文件和播放逻辑
}
}
-
- 没有调用 exec(),事件循环未启动。
- QMetaObject::invokeMethod 的调用被排队但无法处理,因此无效。
- 直接调用的原因 :
- m_audioThread->terminateDecode() 是同步调用,不依赖事件循环,直接修改 m_stopRequested 并唤醒条件变量,线程得以退出。
3. 视频线程的改进
-
设计 :
-
m_videoWorker 是 QObject,通过 moveToThread 移入 QThread。
-
QThread 默认运行事件循环(exec())。
-
解码死循环在 std::thread 中:
cppclass VideoWorker : public QObject { public: VideoWorker() { m_decodeThread = std::thread([this] { decodeLoop(); }); } public slots: void terminateDecode() { m_stopRequested = true; } private: void decodeLoop() { while (!m_stopRequested) { /* 解码 */ } } std::thread m_decodeThread; std::atomic<bool> m_stopRequested{false}; };
-
结果 :
- QThread 的事件循环处理 invokeMethod,触发 terminateDecode。
- 死循环在 std::thread 中,不干扰事件循环。
4. 音视频同步的需求
- 音频线程发出 avClockUpdated 信号,视频线程接收以同步。
- 如果视频需要控制音频(例如暂停),音频线程也需要接收信号。死循环设计在这方面受限。
设计选择
基于以上分析,我对比了两种设计:
设计 1:AudioPlayerThread(QThread 死循环)
- 特点 :
- 重写 run() 为死循环,使用条件变量同步。
- 通过直接调用控制线程。
- 优点 :
- 高效:无事件循环开销,适合音频实时性。
- 简单:逻辑集中,易于实现。
- 缺点 :
- 无法接收信号:需手动检查状态。
- 扩展性差:复杂控制需额外同步。
- 适用场景:单一任务,实时性要求高。
设计 2:m_videoWorker(QObject + QThread + std::thread)
- 特点 :
- QThread 运行事件循环,std::thread 执行死循环。
- 通过信号槽控制。
如何选择?
- 音频实时性优先:选择设计 1,优化终止逻辑(例如在内层检查 m_stopRequested)。
- 音视频同步和控制:选择设计 2,支持双向信号通信。
- 我的需求:音频需要发送 avClockUpdated 与视频同步,可能还需要接收控制信号。设计 2 更合适。
优化建议
对于音视频同步,我推荐设计 2:
- 优点 :
- 支持信号槽:发送和接收信号都方便。
- 扩展性强:适合音视频同步和复杂交互。
- 缺点 :
- 复杂性增加:多线程管理。
- 轻微开销:事件循环和线程切换。
- 适用场景:需要双向通信或 UI 交互。
-
cpp
// 音频工作类
class AudioWorker : public QObject {
Q_OBJECT
public:
AudioWorker() { m_audioThread = std::thread([this] { audioLoop(); }); }
~AudioWorker() {
m_stopRequested = true;
if (m_audioThread.joinable()) m_audioThread.join();
}
public slots:
void terminateDecode() { m_stopRequested = true; }
signals:
void avClockUpdated(qint64 pts); // 发送音频时间戳
private:
void audioLoop() {
while (!m_stopRequested) {
qint64 pts = /* 计算音频时间戳,例如 av_rescale_q */;
emit avClockUpdated(pts); // 通知视频线程
// 音频解码和播放逻辑
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10)); // 模拟播放
}
}
std::thread m_audioThread;
std::atomic<bool> m_stopRequested{false};
};
// 视频工作类
class VideoWorker : public QObject {
Q_OBJECT
public:
VideoWorker() { m_videoThread = std::thread([this] { videoLoop(); }); }
~VideoWorker() {
m_stopRequested = true;
if (m_videoThread.joinable()) m_videoThread.join();
}
public slots:
void terminateDecode() { m_stopRequested = true; }
void syncWithAudio(qint64 audioPts) {
m_currentAudioPts = audioPts;
// 根据音频时间戳调整视频播放
}
private:
void videoLoop() {
while (!m_stopRequested) {
qint64 videoPts = /* 计算视频时间戳 */;
if (m_currentAudioPts > 0 && std::abs(videoPts - m_currentAudioPts) > 100) {
// 如果视频与音频时间差过大,调整播放(例如跳帧或等待)
}
// 视频解码和渲染逻辑
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(40)); // 模拟播放
}
}
std::thread m_videoThread;
std::atomic<bool> m_stopRequested{false};
std::atomic<qint64> m_currentAudioPts{0};
};
// 主线程中的管理类
class MainClass : public QObject {
Q_OBJECT
public:
void startAV() {
// 初始化音频线程
m_audioThread = new QThread();
m_audioWorker = new AudioWorker();
m_audioWorker->moveToThread(m_audioThread);
// 初始化视频线程
m_videoThread = new QThread();
m_videoWorker = new VideoWorker();
m_videoWorker->moveToThread(m_videoThread);
// 连接音频信号到视频槽,实现同步
connect(m_audioWorker, &AudioWorker::avClockUpdated,
m_videoWorker, &VideoWorker::syncWithAudio, Qt::QueuedConnection);
// 启动线程
m_audioThread->start();
m_videoThread->start();
}
void stopAV() {
if (m_audioThread) {
QMetaObject::invokeMethod(m_audioWorker, "terminateDecode", Qt::QueuedConnection);
m_audioThread->quit();
m_audioThread->wait();
delete m_audioThread;
delete m_audioWorker;
}
if (m_videoThread) {
QMetaObject::invokeMethod(m_videoWorker, "terminateDecode", Qt::QueuedConnection);
m_videoThread->quit();
m_videoThread->wait();
delete m_videoThread;
delete m_videoWorker;
}
}
private:
QThread* m_audioThread = nullptr;
AudioWorker* m_audioWorker = nullptr;
QThread* m_videoThread = nullptr;
VideoWorker* m_videoWorker = nullptr;
};
总结
- 信号发送:死循环不影响 emit,音频可以通知视频。
- 信号接收:死循环无事件循环,需用设计 2 或状态检查解决。
- 选择依据:实时性选设计 1,同步和扩展性选设计 2。
通过将死循环移到 std::thread,结合 QThread 的事件循环,我实现了音频和视频的高效同步。这种设计既满足了实时性,又提供了灵活性,是音视频播放器的推荐方案。