线程间数据传递机制详解(共享全局内存 + 互斥锁同步)

这种实现使用了共享全局内存 + 互斥锁同步的方式在线程间传递图像数据,是一种经典的生产者-消费者模型。

1. 共享全局内存

c 复制代码
unsigned char g_rgb_frame[FRAME_WIDTH * FRAME_HEIGHT * 3]; // RGB图像缓冲区
  • 存储格式:连续的RGB像素数据

  • 内存布局[R0, G0, B0, R1, G1, B1, ..., Rn, Gn, Bn]

  • 特点

    • 全局可见:所有线程可直接访问
    • 固定大小:预分配内存避免运行时分配
    • 裸数据存储:不包含OpenCV头信息

2. 互斥锁同步

c 复制代码
pthread_mutex_t g_frame_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
  • 保护对象
    • 图像数据缓冲区 g_rgb_frame
    • 状态标志 g_frame_ready

3. 状态标志

c 复制代码
int g_frame_ready = 0; // 0=未就绪, 1=新帧就绪
  • 作用:避免不必要的锁竞争
  • 工作逻辑
    • 采集线程:写入数据后设为1
    • 识别线程:读取数据后设为0
    • 无新帧时识别线程跳过处理

4. 完整工作流程

采集线程(生产者):

c 复制代码
void* capture_thread(void* arg) {
    while (running) {
        // 1. 从摄像头获取帧(伪代码)
        unsigned char* camera_buffer = get_camera_frame();
        
        // 2. 加锁保护共享资源
        pthread_mutex_lock(&g_frame_mutex);
        
        // 3. 复制数据到全局缓冲区
        memcpy(g_rgb_frame, camera_buffer, 
               FRAME_WIDTH * FRAME_HEIGHT * 3);
        
        // 4. 设置就绪标志
        g_frame_ready = 1;
        
        // 5. 立即解锁
        pthread_mutex_unlock(&g_frame_mutex);
        
        // 6. 按帧率等待
        usleep(1000000 / FPS);
    }
    return NULL;
}

识别线程(消费者):

c 复制代码
void* detection_thread(void* arg) {
    while (running) {
        pthread_mutex_lock(&g_frame_mutex);
        
        if (g_frame_ready) { // 检查新帧标志
            // 创建OpenCV Mat对象(包装原始数据)
            Mat frame(FRAME_HEIGHT, FRAME_WIDTH, 
                      CV_8UC3, g_rgb_frame);
            
            // 关键:深拷贝图像数据
            Mat img = frame.clone();
            
            // 重置就绪标志
            g_frame_ready = 0;
            
            pthread_mutex_unlock(&g_frame_mutex);
            
            // 在锁外进行耗时处理
            process_image(img); // 人脸/手掌检测
        } else {
            pthread_mutex_unlock(&g_frame_mutex);
            usleep(5000); // 短暂休眠
        }
    }
    return NULL;
}

5. 关键技术细节

  1. 内存拷贝 vs 零拷贝
  • memcpy 保证数据完整性但增加CPU开销
  • 替代方案:双缓冲技术(避免拷贝)
c 复制代码
// 全局定义
unsigned char* buffers[2];
int active_buffer = 0;

// 采集线程
memcpy(buffers[active_buffer], data, size);
active_buffer = 1 - active_buffer; // 切换缓冲区

// 识别线程
Mat frame(..., buffers[1 - active_buffer]);
  1. 数据封装
c 复制代码
Mat frame(FRAME_HEIGHT, FRAME_WIDTH, CV_8UC3, g_rgb_frame);
  • 创建OpenCV Mat对象包装原始数据
  • 不复制数据 :Mat对象仅包含指向g_rgb_frame的指针
  • 危险:直接操作可能破坏共享数据
  1. 安全隔离
c 复制代码
Mat img = frame.clone(); // 关键安全措施
  • clone() 执行深拷贝创建独立副本
  • 作用:
    • 避免识别线程修改原始缓冲区
    • 允许识别线程长时间处理不影响新帧采集
    • 解决OpenCV操作可能改变数据布局的问题
  1. 性能优化点
    • 减少锁持有时间:只保护数据复制操作
    • 避免忙等待:无数据时休眠(usleep)
    • 批处理优化:积累多帧后批量处理

6. 总结

这种共享全局内存+互斥锁的图像传递方式:

  • 核心原理:通过物理内存共享实现零拷贝传递
  • 关键安全措施:互斥锁保护数据一致性 + clone()隔离处理
  • 适用场景:单生产者单消费者、实时性要求高、资源受限系统
  • 典型应用:嵌入式视觉系统、实时视频分析、机器人控制
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