QT开发技术【串口和C++20协程，实现循环发送、暂停、恢复、停止】

引言

在嵌入式开发、工业控制等诸多领域，串口通信是极为常见的通信方式。Qt 作为一个强大的跨平台应用程序开发框架，提供了 QSerialPort 类来方便地实现串口通信。而 C++20 引入的协程特性，为异步编程带来了极大的便利，能让代码以更简洁、直观的方式处理异步任务。本文将详细介绍如何结合 Qt 的串口功能与 C++20 协程，实现串口数据的循环发送，并具备暂停、恢复和停止的功能。

一、C++20 协程介绍

1. 什么是协程

协程（Coroutine）是一种比线程更轻量级的并发编程概念。与线程不同，线程由操作系统进行调度，而协程由程序自身控制调度。协程可以在执行过程中暂停（suspend），并在合适的时候恢复（resume）执行，这使得编写异步代码变得更加简洁和直观，避免了传统回调函数带来的嵌套问题，也就是所谓的“回调地狱”。

2. C++20 协程的实现

C++20 正式将协程纳入标准库，主要通过三个新的关键字 co_await、co_yield 和 co_return 来实现。

2.1 co_await

co_await 用于暂停协程的执行，直到等待的操作完成。它可以作用于任何实现了协程等待器（Awaitable）接口的对象。协程等待器需要实现三个特定的成员函数：await_ready、await_suspend 和 await_resume。

#include #include #include // 简单的协程等待器struct Awaitable { bool await_ready() const noexcept { return false; } void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) { std::cout << \"Suspending coroutine\" << std::endl; // 模拟异步操作完成后恢复协程 h.resume(); } void await_resume() const noexcept { std::cout << \"Resuming coroutine\" << std::endl; }};// 协程函数struct Task { struct promise_type { Task get_return_object() { return {}; } std::suspend_never initial_suspend() { return {}; } std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; } void return_void() {} void unhandled_exception() {} };};Task coroutineFunction() { co_await Awaitable{}; std::cout << \"Coroutine continues execution\" << std::endl;}int main() { coroutineFunction(); return 0;}

在上述代码中，Awaitable 是一个简单的协程等待器，coroutineFunction 是一个协程函数，使用 co_await 暂停执行，直到 Awaitable 的异步操作完成。

2.2 co_yield

co_yield 用于将协程的控制权返回给调用者，同时保留协程的状态，以便后续恢复执行。它通常用于实现生成器（Generator）。

#include #include #include // 生成器类template<typename T>struct Generator { struct promise_type { T value_; std::exception_ptr exception_; Generator get_return_object() { return Generator{Handle::from_promise(*this)}; } std::suspend_always initial_suspend() { return {}; } std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; } std::suspend_always yield_value(T value) { value_ = value; return {}; } void unhandled_exception() { exception_ = std::current_exception(); } void return_void() {} }; using Handle = std::coroutine_handle<promise_type>; Handle coro_; Generator(Handle h) : coro_(h) {} ~Generator() { if (coro_) coro_.destroy(); } bool moveNext() { coro_.resume(); return !coro_.done(); } T currentValue() { return coro_.promise().value_; }};// 生成器协程函数Generator<int> numberGenerator() { for (int i = 0; i < 5; ++i) { co_yield i; }}int main() { auto gen = numberGenerator(); while (gen.moveNext()) { std::cout << gen.currentValue() << std::endl; } return 0;}

在这个例子中，numberGenerator 是一个生成器协程函数，使用 co_yield 逐个返回整数。

2.3 co_return

co_return 用于终止协程的执行，并返回一个值（如果需要）。

#include #include #include // 协程返回任务struct Task { struct promise_type { int result_; Task get_return_object() { return {}; } std::suspend_never initial_suspend() { return {}; } std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; } void return_value(int value) { result_ = value; } void unhandled_exception() {} };};// 协程函数Task coroutineFunction() { co_return 42;}int main() { // 这里只是示例结构，实际获取返回值需要更完善的设计 coroutineFunction(); return 0;}

3. C++20 协程的优势

代码简洁：协程可以让异步代码以同步的方式编写，避免了复杂的回调嵌套，提高了代码的可读性和可维护性。
轻量级：协程的创建和销毁开销比线程小得多，适合处理大量并发任务。
灵活调度：协程的调度由程序自身控制，可以根据需要在合适的时机暂停和恢复执行。

4. C++20 协程的应用场景

异步 I/O 操作：如网络编程、文件读写等，使用协程可以避免阻塞线程，提高程序的并发性能。
生成器：实现按需生成数据的迭代器，节省内存空间。
游戏开发：处理游戏中的异步事件，如动画播放、资源加载等。

5. 注意事项

内存管理：协程在暂停时会在堆上分配内存，需要确保在协程结束时正确释放这些内存。
异常处理：协程中的异常需要正确处理，避免程序崩溃。
性能开销：虽然协程比线程轻量，但频繁的暂停和恢复操作也会带来一定的性能开销。

二、 QT串口和C++20协程

2.1 协程等待器

// 协程等待器，用于异步等待一段时间struct AwaitableDelay { QTimer timer; bool await_ready() const noexcept { return false; } void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) { QObject::connect(&timer, &QTimer::timeout, [h]() { h.resume(); }); timer.start(); } void await_resume() const noexcept {} AwaitableDelay(int ms) { timer.setSingleShot(true); timer.setInterval(ms); }};

AwaitableDelay 是一个协程等待器，利用 QTimer 实现定时功能。await_ready 返回 false 表示协程需要暂停，await_suspend 连接定时器的超时信号到协程的恢复函数，await_resume 在协程恢复时调用。

2.2 异步发送任务

// 异步发送数据的协程struct AsyncSendTask { struct promise_type { AsyncSendTask get_return_object() { return {}; } std::suspend_never initial_suspend() { return {}; } std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; } void return_void() {} void unhandled_exception() {} };};

AsyncSendTask 定义了协程的承诺类型，用于管理协程的生命周期。

2.3 主窗口类

class CQtTest : public QWidget { Q_OBJECTpublic: CQtTest(QWidget* parent = nullptr); ~CQtTest();private slots: void on_pushButton_Start_clicked(); void on_pushButton_Stop_clicked(); void on_pushButton_Pause_clicked(); void on_pushButton_Resume_clicked(); void on_pushButton_Send_clicked();private: std::unique_ptr<Ui::CQtTest> ui; QSerialPort serialPort; std::atomic<bool> isCoroutineRunning{false}; // 协程运行标志位 std::atomic<bool> isCoroutinePaused{false}; // 协程暂停标志位 AsyncSendTask asyncSendData(QSerialPort* serialPort);};

2.4 异步发送数据协程

AsyncSendTask CQtTest::asyncSendData(QSerialPort* serialPort) { if (!serialPort->isOpen()) { qDebug() << \"Serial port is not open\"; co_return; } isCoroutineRunning = true; while (isCoroutineRunning) { // 检查是否暂停 while (isCoroutinePaused) { co_await AwaitableDelay(100); // 短暂等待，避免 CPU 占用过高 } // 发送 aabb QByteArray data1 = QByteArray::fromHex(\"aabb\"); qint64 bytesWritten1 = serialPort->write(data1); if (bytesWritten1 == -1) { qDebug() << \"Error writing data aabb to serial port:\" << serialPort->errorString(); } else { qDebug() << \"Data sent:\" << data1.toHex(); } // 等待 1 秒 co_await AwaitableDelay(1000); // 检查是否暂停 while (isCoroutinePaused) { co_await AwaitableDelay(100); } // 发送 ccdd QByteArray data2 = QByteArray::fromHex(\"ccdd\"); qint64 bytesWritten2 = serialPort->write(data2); if (bytesWritten2 == -1) { qDebug() << \"Error writing data ccdd to serial port:\" << serialPort->errorString(); } else { qDebug() << \"Data sent:\" << data2.toHex(); } // 等待 1 秒 co_await AwaitableDelay(1000); } isCoroutineRunning = false;}

asyncSendData 协程函数在串口打开的情况下，循环交替发送 aabb 和 ccdd，每次发送前后检查暂停标志位，若暂停则等待。

2.5 槽函数实现

void CQtTest::on_pushButton_Start_clicked() { if (serialPort.isOpen() && !isCoroutineRunning) { isCoroutinePaused = false; asyncSendData(&serialPort); }}void CQtTest::on_pushButton_Stop_clicked() { isCoroutineRunning = false; isCoroutinePaused = false;}void CQtTest::on_pushButton_Pause_clicked() { isCoroutinePaused = true;}void CQtTest::on_pushButton_Resume_clicked() { isCoroutinePaused = false;}void CQtTest::on_pushButton_Send_clicked() { if(serialPort.isOpen()) serialPort.write(QByteArray::fromHex(\"aabb\"));}

on_pushButton_Start_clicked：启动协程。
on_pushButton_Stop_clicked：停止协程。
on_pushButton_Pause_clicked：暂停协程。
on_pushButton_Resume_clicked：恢复协程。
on_pushButton_Send_clicked：手动发送 aabb 数据。

三、完整代码

#pragma once#include \"ui_QtTest.h\"#include #include #include #include #include #include #include #include namespace Ui { class CQtTest;}// 协程等待器，用于异步等待一段时间struct AwaitableDelay { QTimer timer; bool await_ready() const noexcept { return false; } void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) { QObject::connect(&timer, &QTimer::timeout, [h]() { h.resume(); }); timer.start(); } void await_resume() const noexcept {} AwaitableDelay(int ms) { timer.setSingleShot(true); timer.setInterval(ms); }};// 异步发送数据的协程struct AsyncSendTask { struct promise_type { AsyncSendTask get_return_object() { return {}; } std::suspend_never initial_suspend() { return {}; } std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; } void return_void() {} void unhandled_exception() {} };};class CQtTest : public QWidget{ Q_OBJECTpublic: explicit CQtTest(QWidget *parent = nullptr); virtual ~CQtTest() = default;private: AsyncSendTask asyncSendData(QSerialPort* serialPort);private slots: void on_pushButton_Start_clicked(); void on_pushButton_Stop_clicked(); void on_pushButton_Send_clicked(); void on_pushButton_Pause_clicked(); void on_pushButton_Resume_clicked();private: std::unique_ptr<Ui::CQtTest> ui; QSerialPort serialPort; std::atomic<bool> isCoroutineRunning{ false }; // 协程运行标志位 std::atomic<bool> isCoroutinePaused{ false }; // 协程暂停标志位};

#include \"QtTest.h\"#include #include CQtTest::CQtTest(QWidget* parent) : QWidget(parent) , ui(std::make_unique<Ui::CQtTest>()){ ui->setupUi(this); serialPort.setPortName(\"COM1\"); // 根据实际情况修改串口名 serialPort.setBaudRate(500000); // 根据实际情况修改波特率 serialPort.setDataBits(QSerialPort::Data8); serialPort.setParity(QSerialPort::NoParity); serialPort.setStopBits(QSerialPort::OneStop); serialPort.setFlowControl(QSerialPort::NoFlowControl); if (serialPort.open(QIODevice::ReadWrite)) { qDebug() << \"Serial port opened successfully:\" << serialPort.portName(); } else { qDebug() << \"Failed to open serial port:\" << serialPort.portName(); }}void CQtTest::on_pushButton_Send_clicked(){ if(serialPort.isOpen()) serialPort.write(QByteArray::fromHex(\"aabb\"));}void CQtTest::on_pushButton_Pause_clicked(){ isCoroutinePaused = true;}void CQtTest::on_pushButton_Resume_clicked(){ isCoroutinePaused = false;}void CQtTest::on_pushButton_Start_clicked() { if (serialPort.isOpen() && !isCoroutineRunning) { isCoroutinePaused = false; asyncSendData(&serialPort); }}void CQtTest::on_pushButton_Stop_clicked() { isCoroutineRunning = false; isCoroutinePaused = false;}AsyncSendTask CQtTest::asyncSendData(QSerialPort* serialPort) { if (!serialPort->isOpen()) { qDebug() << \"Serial port is not open\"; co_return; } isCoroutineRunning = true; while (isCoroutineRunning) { // 检查是否暂停 while (isCoroutinePaused) { co_await AwaitableDelay(100); // 短暂等待，避免 CPU 占用过高 } // 发送 aabb QByteArray data1 = QByteArray::fromHex(\"aabb\"); qint64 bytesWritten1 = serialPort->write(data1); if (bytesWritten1 == -1) { qDebug() << \"Error writing data aabb to serial port:\" << serialPort->errorString(); } else { qDebug() << \"Data sent:\" << data1.toHex(); } // 等待 1 秒 co_await AwaitableDelay(1000); // 检查是否暂停 while (isCoroutinePaused) { co_await AwaitableDelay(100); } // 发送 ccdd QByteArray data2 = QByteArray::fromHex(\"ccdd\"); qint64 bytesWritten2 = serialPort->write(data2); if (bytesWritten2 == -1) { qDebug() << \"Error writing data ccdd to serial port:\" << serialPort->errorString(); } else { qDebug() << \"Data sent:\" << data2.toHex(); } // 等待 1 秒 co_await AwaitableDelay(1000); } isCoroutineRunning = false;}

三、效果和总结

通过结合 Qt 的 QSerialPort 类和 C++20 协程特性，我们实现了一个功能丰富的串口数据发送程序，具备循环发送、暂停、恢复和停止的功能。C++20 协程让异步代码的编写更加简洁直观，避免了传统回调函数带来的复杂性。同时，使用原子标志位可以方便地控制协程的运行状态。在实际开发中，可以根据具体需求对代码进行扩展，如添加数据接收功能、错误处理等。