Qt多线程之QMutex

Posted 2023-04-18 AngleLin

QMutex

同一个QMutex lock() 时，其他的 lock() 操作要等待 locked 的地方 unlock() (可以保证顺序执行)

测试代码：

#include <iostream>
#include <QThread>
#include <QMutex>
using namespace std;

class myThread1 : public QThread 
public:
    myThread1(int &num, QMutex& mutex) : _num(num), _mutex(mutex) 
    ~myThread1() 

    void run() 
        _mutex.lock();
        cout << "ThreadId: " << QThread::currentThread() << endl;
         cout << "thread1 num before: " << _num << endl;
         _num *= 5;
         cout << "thread1 num: " << _num << endl;
         _num /= 4;
        cout << "thread1 num: " << _num << endl;
        _mutex.unlock();
    

private:
    int     &_num;
    QMutex  &_mutex;
;

class myThread2 : public QThread 
public:
     myThread2(int &num, QMutex& mutex) : _num(num), _mutex(mutex) 
    ~myThread2() 

    void run() 
        _mutex.lock();
        cout << "ThreadId: " << QThread::currentThread() << endl;
        cout << "thread2 num before: " << _num << endl;
        _num *= 3;
        cout << "thread2 num: " << _num << endl;
        _num /= 2;
        cout << "thread2 num: " << _num << endl;
        _mutex.unlock();
    

private:
    int     &_num;
    QMutex  &_mutex;
;

int main()

    int num = 6;
    QMutex mutex1;
    QMutex mutex2;
    myThread1 t1(num, mutex1);
    myThread2 t2(num, mutex2);
    t1.start();
    t2.start();

    t1.wait();
    t2.wait();
    cout << "num: " << num << endl;

多运行几次，可以发现，输出的结果不相同。

原来的理解：QMutex 可以保护 lock() 和 unlock() 之间的变量(例子中为 _num)，在执行到unlock() 之前，别的线程都不可以修改_num 的值。这种理解是错的

 QMutex 能限制的从来都只有自身，如果一个QMutex 对象已经进行的 lock() 操作，但是没有 unlock(), 其它地方的 lock() 操作都会阻塞等待，直到 unlock() 执行。QMutex 就是通过这种方式保证同时只有一个线程在操作共有变量的。

 上面的例子中传了两个不同的 QMutex 进去，所有并没有起到锁的作用，各自还是可以访问

Qt同步线程（QMutex QMutexLocker QReadWriteLock QSemaphore QWaitCondition ）

Qt同步线程

我们知道，多线程有的时候是很有用的，但是在访问一些公共的资源或者数据时，需要进行同步，否则会使数据遭到破坏或者获取的值不正确。Qt提供了一些类来实现线程的同步，如QMutex，QMutexLocker，QReadWriteLock，QReadLocker，QWriteLocker，QSemaphore和QWaitCondition。下面我们分别来看它们的用法：

QMutex

首先，简单的了解一下QMutex提供的函数。

构造函数：QMutex ( RecursionMode mode = NonRecursive )。

需要注意的是构造函数的参数，RecursionMode 递归模式。枚举类型RecursionMode 有两个值：

QMutex::Recursive，在这个模式下，一个线程可以多次锁同一个互斥量。需要注意的是，调用lock()多少次锁，就必须相应的调用unlock()一样次数解锁。

QMutex::NonRecursive(默认)，在这个模式下，一个线程只能锁互斥量一次。

void QMutex::lock ()

该函数用来锁住一个互斥量。如果另外的线程已经锁住了互斥量，函数将被阻塞等待另外的线程解锁互斥量。

如果是一个可递归的互斥量，则可以从同一个线程多次调用这个函数，如果是非递归的互斥量，多次调用这个函数将会引发死锁。我们来看看源码是怎么实现的。

void QMutex::lock()



　　QMutexPrivate *d = static_cast<QMutexPrivate*>(this->d);

　　Qt::HANDLE self;

　　if(d->recursive) 

　　　　self = QThread::currentThreadId();

　　　　if(d->owner == self) 

　　　　++d->count;             //同一个线程多次lock时，仅仅自增count

　　　　//当然递归次数太多也会导致栈溢出

　　　　Q_ASSERT_X(d->count != 0, "QMutex::lock", "Overflowin recursion counter");

　　　　return;

　　

　　bool isLocked = d->contenders.testAndSetAcquire(0, 1);

　　if(!isLocked) 

　　　　// didn‘tget the lock, wait for it

　　　　isLocked = d->wait();

　　　　Q_ASSERT_X(isLocked, "QMutex::lock",

　　　　"Internalerror, infinite wait has timed out.");

　　

　　d->owner = self;          //递归模式时，owner记录拥有互斥量的线程

　　++d->count;             //记录lock的次数

　　Q_ASSERT_X(d->count != 0, "QMutex::lock", "Overflowin recursion counter");

　　return;



//非递归模式时，

　　bool isLocked = d->contenders.testAndSetAcquire(0, 1);   //尝试加锁

　　if(!isLocked) 

　　　　lockInternal();  //加锁失败则在lockInternal()中一直等到别的线程解锁。

　　



看看lockInternal的实现

void QMutex::lockInternal()



。。。

do 

。。。。//其他代码太复杂，感觉最重要的就是这个while循环了，

//一直循环检测，试图加锁。这我们就好理解，非递归模式的//互斥量，不要在同一个线程里，多次调用lock了。因为第二次调用的时候会在

//这里死循环了

 while(d->contenders != 0 || !d->contenders.testAndSetAcquire(0, 1));

。。。。。。。

 

bool QMutex::tryLock ()

该函数试图锁一个互斥量，如果成功则返回true。如果另外的线程已经锁住了互斥量，函数直接返回false。

bool QMutex::tryLock ( int timeout )

该函数跟上面的trylock()相似。不同的是，如果互斥量在别的线程锁住的情况下，函数会等待timeout 毫秒。需要注意的是，如果传入的timeout 为负数，函数将无限期等待，跟调用lock()一样的效果。这个函数跟上面的差不多，所以只看该函数的源码实现就好了。

bool QMutex::tryLock(inttimeout)



    QMutexPrivate *d = static_cast<QMutexPrivate*>(this->d);

    Qt::HANDLE self;

    if(d->recursive) 

        self = QThread::currentThreadId();

        if(d->owner == self) 

        　　++d->count;

       　　 Q_ASSERT_X(d->count != 0, "QMutex::tryLock", "Overflow in recursion counter");

    　　　　return true;

　　　　

    boolisLocked = d->contenders.testAndSetAcquire(0, 1);

    if(!isLocked) 

        // didn‘tget the lock, wait for it

        isLocked = d->wait(timeout);    //尝试加锁失败则等待

        if(!isLocked)

        return false;

    

    d->owner = self;

    ++d->count;

    Q_ASSERT_X(d->count != 0, "QMutex::tryLock", "Overflow in recursion counter");

    return true;



//尝试加锁失败，(d->contenders.testAndSetAcquire(0,1)返回false，所以继续执行d->wait(timeout)；

return (d->contenders.testAndSetAcquire(0, 1) ||d->wait(timeout));



//在win下，wait函数实际上是用事件对象实现的

bool QMutexPrivate::wait(inttimeout)



if(contenders.fetchAndAddAcquire(1) == 0) 

// lockacquired without waiting

return true;



// 当timeout 小于0，则等待时间为INFINITE，这也就是为什么传负数参数时跟lock一样会无限期等待了

boolreturnValue = (WaitForSingleObject(event,timeout < 0 ? INFINITE : timeout) ==  WAIT_OBJECT_0);

contenders.deref();

returnreturnValue;

                

 

void QMutex::unlock ()

该函数对互斥量进行解锁。如果在另外的线程加锁，尝试在别的线程进行解锁则会引发错误。试图对没有加锁的互斥量解锁结果是未定义的。

QMutexLocker

QmutexLocker只是为了简化我们对互斥量的加锁和解锁操作。就像智能指针方便我们使用普通指针一样。

QMutexLocker (QMutex * mutex )。

构造函数必须传入一个互斥量指针，然后在构造函数里mutex直接调用lock()。

inline explicitQMutexLocker(QMutex *m)



Q_ASSERT_X((reinterpret_cast<quintptr>(m)& quintptr(1u)) == quintptr(0),

"QMutexLocker","QMutex pointer is misaligned");

if (m)

m->lockInline();    // mutex调用lock()加锁

val = reinterpret_cast<quintptr>(m)| quintptr(1u);

 else

val = 0;





inline ~QMutexLocker()  unlock(); 

inline void unlock()



if((val & quintptr(1u)) == quintptr(1u)) 

val &= ~quintptr(1u);

mutex()->unlockInline();   //析构时调用unlock,确保mutex在离开调用线程时被解锁。

 

下面来看看具体的用法：

假设有个函数有很多return 语句，那么我们就必须记得在每个语句前unlock互斥量，否则互斥量将无法得到解锁，导致其他等待的线程无法继续执行。

int complexFunction(intflag)



　　mutex.lock();

　　int retVal = 0;

　　switch (flag) 

　　　　case 0:

　　　　case1:

　　　　retVal = moreComplexFunction(flag);

　　　　break;

　　case 2:

　　

　　　　int status = anotherFunction();

　　　　if (status < 0) 

　　　　　　mutex.unlock();

　　　　　　return -2;

　　　　

　　　　retVal = status + flag;

　　

　　break;

　　default:

　　if (flag > 10) 

　　　　mutex.unlock();

　　　　return -1;

　　

　　break;



mutex.unlock();

return retVal;

 

这样的代码显得很冗余又容易出错。如果我们用QMutexLocker

intcomplexFunction(int flag)



QMutexLocker locker(&mutex);

int retVal = 0;

switch (flag) 

case 0:

case 1:

return moreComplexFunction(flag);

case 2:



int status = anotherFunction();

if (status < 0)

return -2;

retVal = status + flag;



break;

default:

if (flag > 10)

return -1;

break;



return retVal;

 

由于locker 是局部变量，在离开函数作用域时，mutex肯定会被解锁。

QreadWriteLock

QreadWriteLock是一个读写锁，主要用来同步保护需要读写的资源。当你想多个读线程可以同时读取资源，但是只能有一个写线程操作资源，而其他线程必须等待写线程完成时，这时候用这个读写锁就很有用了。QreadWriteLock也有递归和非递归模式之分。

我们主要来看看最重要的两个函数是如何实现读写操作的同步的。

void QReadWriteLock::lockForRead ()

该函数lock接了读操作的锁。如果有别的线程已经对lock接了写操作的锁，则函数会阻塞等待。

void QReadWriteLock::lockForRead()



　　QMutexLocker lock(&d->mutex);

　　Qt::HANDLE self = 0;

　　if(d->recursive) 

　　　　self = QThread::currentThreadId();

　　　　QHash<Qt::HANDLE, int>::iterator it = d->currentReaders.find(self);

　　　　if (it!= d->currentReaders.end()) 

　　　　　　++it.value();

　　　　　　++d->accessCount;

　　　　　　Q_ASSERT_X(d->accessCount >0, "QReadWriteLock::lockForRead()",

　　　　　　"Overflowin lock counter");

　　return;

　　



// accessCount 小于0说明有写线程在操作资源，则阻塞

while(d->accessCount < 0 || d->waitingWriters) 

++d->waitingReaders;             //自增等待的读线程数

d->readerWait.wait(&d->mutex);

--d->waitingReaders;



if(d->recursive)

d->currentReaders.insert(self, 1);

++d->accessCount;    //自增，记录有多少个线程访问了资源

Q_ASSERT_X(d->accessCount > 0, "QReadWriteLock::lockForRead()", "Overflow in lock counter");



void QReadWriteLock::lockForWrite ()

该函数给lock加了写操作的锁，如果别的线程已经加了读或者写的锁，则函数会被阻塞。

void QReadWriteLock::lockForWrite()



QMutexLocker lock(&d->mutex);

Qt::HANDLE self = 0;

if(d->recursive) 

self = QThread::currentThreadId();

if(d->currentWriter == self) 

--d->accessCount;

Q_ASSERT_X(d->accessCount <0, "QReadWriteLock::lockForWrite()",

"Overflowin lock counter");

return;





// accessCount不等于0，说明有线程在操作资源，则函数阻塞等待。

// accessCount大于0说明有读线程在读取资源，

// accessCount小于0说明有写线程在写数据

while(d->accessCount != 0) 

++d->waitingWriters;        //自增等待的写线程数

d->writerWait.wait(&d->mutex);

--d->waitingWriters;



if(d->recursive)

d->currentWriter = self;

--d->accessCount;

Q_ASSERT_X(d->accessCount < 0, "QReadWriteLock::lockForWrite()", "Overflow in lock counter");

 

void QReadWriteLock::unlock ()

解锁函数，下面我们看看源码是如何实现，让等待的写线程优先于读线程获得互斥量的锁的。

void QReadWriteLock::unlock()



QMutexLocker lock(&d->mutex);

Q_ASSERT_X(d->accessCount != 0, "QReadWriteLock::unlock()", "Cannot unlock an unlocked lock");

boolunlocked = false;

if(d->accessCount > 0) 

// releasinga read lock

if(d->recursive) 

Qt::HANDLE self =QThread::currentThreadId();

QHash<Qt::HANDLE, int>::iterator it =d->currentReaders.find(self);

if(it != d->currentReaders.end()) 

if(--it.value() <= 0)

d->currentReaders.erase(it);





// d->accessCount  说明没有线程在操作资源了unlocked为true

unlocked = --d->accessCount == 0;

 else if (d->accessCount < 0 &&++d->accessCount == 0)



// d->accessCount <0 说明有写线程在操作。则解锁unlocked = true;

// released awrite lock

unlocked = true;

d->currentWriter = 0;



//最重要的就是这里

if(unlocked) 

if(d->waitingWriters) 

//如果有写线程在等待，则wake一个写线程。前面我们已经知道，写线程是只

//能有一个对资源进行操作的，所以就wakeone了。

d->writerWait.wakeOne();

 else if (d->waitingReaders) 

//如果没有等待的写线程，则wake全部的读线程。因为读线程是可以多个对资源进行操作的。

d->readerWait.wakeAll();

 

下面是我自己简单的实现用例：

class Lock:publicQObject



Q_OBJECT

public:

Lock();

~Lock();

void Start();

void Read();

void Write();

void ReadThread1();

void ReadThread2();

void WriteThread1();

void WriteThread2();

protected:

private:

string strResource;

QReadWriteLock lock;    

;

Lock::Lock()



strResource = "Hellworld ......";



Lock::~Lock()





void Lock::Read()



cout<<"Readdata :"<<strResource<<endl;

QEventLoop loop;

QTimer::singleShot(2000,&loop,SLOT(quit()));   

loop.exec();



void Lock::Write()



strResource = "writelock ";

cout<<"Writedata :"<<strResource<<endl;

QEventLoop loop;

QTimer::singleShot(2000,&loop,SLOT(quit()));  

loop.exec();



void Lock::ReadThread1()



lock.lockForRead();

cout<<"ReadThread1  lockForRead"<<endl;

Read();

cout<<"ReadThread1  unlock"<<endl;

lock.unlock();



void Lock::ReadThread2()



lock.lockForRead();

cout<<"ReadThread2  lockForRead"<<endl;

Read();

cout<<"ReadThread2  unlock"<<endl;

lock.unlock();



void Lock::WriteThread1()



lock.lockForWrite();

cout<<"WriteThread1  lockForWrite"<<endl;

Write();

cout<<"WriteThread1  unlock"<<endl;

lock.unlock();



void Lock::WriteThread2()



lock.lockForWrite();

cout<<"WriteThread2  lockForWrite"<<endl;

Write();

cout<<"WriteThread2  unlock"<<endl;

lock.unlock();



void Lock::Start()



QtConcurrent::run(this,&Lock::ReadThread1);

QtConcurrent::run(this,&Lock::ReadThread2);

QtConcurrent::run(this,&Lock::WriteThread1);

QtConcurrent::run(this,&Lock::WriteThread2);

 

这里我先启动两个读线程，再启动写线程，运行结果如下。我们发现先读线程1先加了锁，读线程1还没解锁的时候，读线程2已经加了锁，验证了读线程是可以同时进入的。

如果我改一下代码：

void Lock::Start()

QtConcurrent::run(this,&Lock::WriteThread1);

QtConcurrent::run(this,&Lock::ReadThread1);

QtConcurrent::run(this,&Lock::ReadThread2);

QtConcurrent::run(this,&Lock::WriteThread2);

我先启动WriteThread1，然后启动两个读线程，最后启动WriteThread2。运行结果如下，我们发现，WriteThread1运行完之后，先运行WriteThread2，最后才是两个读线程。验证了写线程比读线程先获得锁。

QSemaphore

QSemaphore是提供一个计数的信号量。信号量是泛化的互斥量。一个信号量只能锁一次，但是我们可以多次获得信号量。信号量可以用来同步保护一定数量的资源。

信号量支持两个基本是函数， acquire()和 release()：

acquire(n) ：尝试获取n个资源。如果没有足够的可用资源，该函数调用会被则是。

release(n) ：释放n个资源。

它们的源码实现也很简单：

void QSemaphore::acquire(intn)



Q_ASSERT_X(n >= 0, "QSemaphore::acquire", "parameter ‘n‘ must be non-negative");

QMutexLocker locker(&d->mutex);

while (n> d->avail)  //申请的资源n 大于可用资源avail则进入等待。

d->cond.wait(locker.mutex());

d->avail -= n;



void QSemaphore::release(intn)



Q_ASSERT_X(n >= 0, "QSemaphore::release", "parameter ‘n‘ must be non-negative");

QMutexLocker locker(&d->mutex);

d->avail += n;

d->cond.wakeAll();

 

由于avail变量，实际就是一个int的计数变量 。所以我们在调用release()传入的参数n大于信号量初始值也没关系，只是说明可用资源增加了。

例如以下代码：

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



QCoreApplication a(argc, argv);

QSemaphore sem(5);

sem.acquire(5);

cout<<"acquire(5);  "<<"remaindresource :"<<sem.available()<<endl;

sem.release(5);

cout<<"release(5)  "<<"remaindresource :"<<sem.available()<<endl;

sem.release(10);

cout<<"release(10)  "<<"remaindresource :"<<sem.available()<<endl;

sem.acquire(15);

cout<<"acquire(15);  "<<"remaindresource :"<<sem.available()<<endl;

returna.exec();

 

信号量最著名的就是生产者与消费者的例子，以后再研究了。

QWaitCondition

QWaitCondition类提供了一个条件变量，它允许我们通知其他线程，等待的某些条件已经满足。等待QWaitCondition变量的可以是一个或多个线程。当我们用wakeOne()通知其他线程时，系统会随机的选中一个等待进行唤醒，让它继续运行。其实前面的信号量和读写锁内部实现都有用到QWaitCondition的。

下面我们来看这个类重要的几个函数：

ool QWaitCondition::wait ( QMutex * mutex, unsigned long time =ULONG_MAX )

该函数对mutex解锁，然后等待。在调用这个函数之前，mutex必须是加锁状态。如果mutex没有加锁，则函数直接返回。如果mutex是可递归的，函数也直接返回。该函数对mutex解锁，然后等待，知道以下条件之一满足：

1.     另外的线程调用wakeOne()或 wakeAll()，则该函数会返回true。

2.     时间过了Time毫秒。如果time为ULONG_MAX（默认），则将会一直等待不会超时。如果超时则返回false。

bool QWaitCondition::wait ( QReadWriteLock * readWriteLock, unsigned long time =ULONG_MAX )

函数对readWriteLock解锁并等待条件变量。在调用这个函数之前，readWriteLock必须是加锁状态的。如果不是加锁状态，则函数立即返回。readWriteLock必须不能是递归加锁的，否则将不能正确的解锁。返回的满足条件跟上面的函数一样。

http://blog.csdn.net/hai200501019/article/details/9889123