Qt学习 之 多线程程序设计

Posted 2020-09-30 yxysuanfa

QT通过三种形式提供了对线程的支持。它们各自是，

一、平台无关的线程类
二、线程安全的事件投递
三、跨线程的信号-槽连接。

这使得开发轻巧的多线程Qt程序更为easy，并能充分利用多处理器机器的优势。

多线程编程也是一个实用的模式。它用于解决运行较长时间的操作而不至于用户界面失去响应。

在Qt的早期版本号中。在构建库时有不选择线程支持的选项，从4.0開始，线程总是有效的。

线程类

Qt 包括以下一些线程相关的类：

• QThread 提供了開始一个新线程的方法
• QThreadStorage 提供逐线程数据存储
• QMutex 提供相互排斥的锁，或相互排斥量
• QMutexLocker 是一个便利类，它能够自己主动对QMutex加锁与解锁
• QReadWriterLock 提供了一个能够同一时候读操作的锁
• QReadLocker与QWriteLocker 是便利类。它自己主动对QReadWriteLock加锁与解锁
• QSemaphore 提供了一个整型信号量，是相互排斥量的泛化
• QWaitCondition 提供了一种方法。使得线程能够在被另外线程唤醒之前一直休眠。

创建一个线程

这篇文章在这个问题上有着更加人性化的展示。

为创建一个线程。子类化QThread并且重写它的run()函数，比如：

class MyThread : public QThread
{
     Q_OBJECT
protected:
     void run();
};
void MyThread::run()
{
     ...
}

之后，创建这个线程对象的实例。调用QThread::start()。于是。在run()里出现的代码将会在另外线程中被运行。

注意：QCoreApplication::exec()必须总是在主线程(运行main()的那个线程)中被调用，不能从一个QThread中调用。在GUI程序中。主线程也被称为GUI线程，由于它是唯一一个同意运行GUI相关操作的线程。

另外，你必须在创建一个QThread之前创建QApplication(or QCoreApplication)对象。

线程同步

这里的同步模式能够去看看这两篇文章，提供的是后一篇的连接。

QMutex, QReadWriteLock, QSemaphore, QWaitCondition 提供了线程同步的手段。使用线程的主要想法是希望它们能够尽可能并发运行，而一些关键点上线程之间须要停止或等待。

比如，假如两个线程试图同一时候訪问同一个全局变量。结果可能不如所愿。

QMutex 提供相互排斥的锁，或相互排斥量。在一个时刻至多一个线程拥有mutex,假如一个线程试图訪问已经被锁定的mutex,那么它将休眠，直到拥有mutex的线程对此mutex解锁。

Mutexes经常使用来保护共享数据訪问。
QReadWriterLock 与QMutex类似，除了它对 “read”,”write”訪问进行差别对待。它使得多个读者能够共时訪问数据。使用QReadWriteLock而不是QMutex。能够使得多线程程序更具有并发性。

QReadWriteLock lock;
void ReaderThread::run()
{
    // ...
     lock.lockForRead();
     read_file();
     lock.unlock();
     //...
}
void WriterThread::run()
{
   // ...
     lock.lockForWrite();
     write_file();
     lock.unlock();
    // ...
}

QSemaphore 是QMutex的一般化，它能够保护一定数量的相同资源。与此相对。一个mutex仅仅保护一个资源。

以下样例中，使用QSemaphore来控制对环状缓冲的訪问，此缓冲区被生产者线程和消费者线程共享。生产者不断向缓冲写入数据直到缓冲末端，再从头開始。消费者从缓冲不断读取数据。信号量比相互排斥量有更好的并发性，假如我们用相互排斥量来控制对缓冲的訪问，那么生产者，消费者不能同一时候訪问缓冲。

然而。我们知道在同一时刻。不同线程訪问缓冲的不同部分并没有什么危害。

const int DataSize = 100000;
const int BufferSize = 8192;
char buffer[BufferSize];
QSemaphore freeBytes(BufferSize);
QSemaphore usedBytes;
class Producer : public QThread
{
public:
     void run();
};
void Producer::run()
{
     qsrand(QTime(0,0,0).secsTo(QTime::currentTime()));
     for (int i = 0; i < DataSize; ++i) {
         freeBytes.acquire();
         buffer[i % BufferSize] = "ACGT"[(int)qrand() % 4];
         usedBytes.release();
     }
}
class Consumer : public QThread
{
public:
     void run();
};
void Consumer::run()
{
     for (int i = 0; i < DataSize; ++i) {
         usedBytes.acquire();
         fprintf(stderr, "%c", buffer[i % BufferSize]);
         freeBytes.release();
     }
     fprintf(stderr, "\\n");
}
int main(int argc, char *argv[])
{
     QCoreApplication app(argc, argv);
     Producer producer;
     Consumer consumer;
     producer.start();
     consumer.start();
     producer.wait();
     consumer.wait();
     return 0;
}

QWaitCondition 同意线程在某些情况发生时唤醒另外的线程。一个或多个线程能够堵塞等待一QWaitCondition ,用wakeOne()或wakeAll()设置一个条件。

wakeOne()随机唤醒一个，wakeAll()唤醒全部。

以下的样例中。生产者首先必须检查缓冲是否已满(numUsedBytes==BufferSize)，假设是，线程停下来等待bufferNotFull条件。

假设不是，在缓冲中生产数据。添加numUsedBytes,激活条件 bufferNotEmpty。使用mutex来保护对numUsedBytes的訪问。

另外，QWaitCondition::wait()接收一个mutex作为參数，这个mutex应该被调用线程初始化为锁定状态。在线程进入休眠状态之前，mutex会被解锁。

而当线程被唤醒时。mutex会处于锁定状态,并且，从锁定状态到等待状态的转换是原子操作，这阻止了竞争条件的产生。当程序開始运行时，仅仅有生产者能够工作。消费者被堵塞等待bufferNotEmpty条件，一旦生产者在缓冲中放入一个字节。bufferNotEmpty条件被激发。消费者线程于是被唤醒。

const int DataSize = 100000;
const int BufferSize = 8192;
char buffer[BufferSize];
QWaitCondition bufferNotEmpty;
QWaitCondition bufferNotFull;
QMutex mutex;
int numUsedBytes = 0;
class Producer : public QThread
{
public:
     void run();
};
void Producer::run()
{
     qsrand(QTime(0,0,0).secsTo(QTime::currentTime()));
     for (int i = 0; i < DataSize; ++i) {
         mutex.lock();
         if (numUsedBytes == BufferSize)
             bufferNotFull.wait(&mutex);
         mutex.unlock();
         buffer[i % BufferSize] = "ACGT"[(int)qrand() % 4];
         mutex.lock();
         ++numUsedBytes;
         bufferNotEmpty.wakeAll();
         mutex.unlock();
     }
}
class Consumer : public QThread
{
public:
     void run();
};
void Consumer::run()
{
     for (int i = 0; i < DataSize; ++i) {
         mutex.lock();
         if (numUsedBytes == 0)
             bufferNotEmpty.wait(&mutex);
         mutex.unlock();
         fprintf(stderr, "%c", buffer[i % BufferSize]);
         mutex.lock();
         --numUsedBytes;
         bufferNotFull.wakeAll();
         mutex.unlock();
     }
     fprintf(stderr, "\\n");
}
int main(int argc, char *argv[])
{
     QCoreApplication app(argc, argv);
     Producer producer;
     Consumer consumer;
     producer.start();
     consumer.start();
     producer.wait();
     consumer.wait();
     return 0;
}

可重入与线程安全

在Qt文档中。术语“可重入”与“线程安全”被用来说明一个函数怎样用于多线程程序。假如一个类的不论什么函数在此类的多个不同的实例上，能够被多个线程同一时候调用。那么这个类被称为是“可重入”的。假如不同的线程作用在同一个实例上仍能够正常工作。那么称之为“线程安全”的。
大多数c++类天生就是可重入的。由于它们典型地仅仅引用成员数据。不论什么线程能够在类的一个实例上调用这样的成员函数，仅仅要没有别的线程在同一个实例上调用这个成员函数。举例来讲，以下的Counter 类是可重入的：

class Counter
{
public:
      Counter() {n=0;}
      void increment() {++n;}
      void decrement() {--n;}
      int value() const {return n;}
private:
      int n;
};

这个类不是线程安全的，由于假如多个线程都试图改动数据成员 n,结果没有定义。这是由于c++中的++和–操作符不是原子操作。

实际上，它们会被扩展为三个机器指令：

1，把变量值装入寄存器
2。添加或降低寄存器中的值
3。把寄存器中的值写回内存

假如线程A与B同一时候装载变量的旧值，在寄存器中增值，回写。他们写操作重叠了。导致变量值仅添加了一次。

非常明显。訪问应该串行化：A运行123步骤时不应被打断。使这个类成为线程安全的最简单方法是使用QMutex来保护数据成员：

class Counter
{
public:
     Counter() { n = 0; }
     void increment() { QMutexLocker locker(&mutex); ++n; }
     void decrement() { QMutexLocker locker(&mutex); --n; }
     int value() const { QMutexLocker locker(&mutex); return n; }
private:
     mutable QMutex mutex;
     int n;
};

QMutexLocker类在构造函数中自己主动对mutex进行加锁，在析构函数中进行解锁。

随便一提的是。mutex使用了mutable关键字来修饰，由于我们在value()函数中对mutex进行加锁与解锁操作，而value()是一个const函数。
大多数Qt类是可重入。非线程安全的。有一些类与函数是线程安全的，它们主要是线程相关的类，如QMutex,QCoreApplication::postEvent()。

线程与QObjects

QThread 继承自QObject,它发射信号以指示线程运行開始与结束，并且也提供了很多slots。更有趣的是，QObjects能够用于多线程，这是由于每一个线程被同意有它自己的事件循环。
QObject 可重入性
QObject是可重入的。

它的大多数非GUI子类，像QTimer,QTcpSocket,QUdpSocket,QHttp,QFtp,QProcess也是可重入的，在多个线程中同一时候使用这些类是可能的。须要注意的是。这些类被设计成在一个单线程中创建与使用，因此。在一个线程中创建一个对象，而在另外的线程中调用它的函数，这样的行为不能保证工作良好。

有三种约束须要注意：
1。QObject的孩子总是应该在它父亲被创建的那个线程中创建。

这意味着，你绝不应该传递QThread对象作为还有一个对象的父亲(由于QThread对象本身会在还有一个线程中被创建)
2,事件驱动对象仅仅在单线程中使用。明白地说，这个规则适用于”定时器机制“与”网格模块“，举例来讲，你不应该在一个线程中開始一个定时器或是连接一个套接字。当这个线程不是这些对象所在的线程。
3，你必须保证在线程中创建的全部对象在你删除QThread前被删除。

这非常easy做到:你能够run()函数运行的栈上创建对象。

虽然QObject是可重入的，但GUI类，特别是QWidget与它的全部子类都是不可重入的。它们仅用于主线程。

正如前面提到过的，QCoreApplication::exec()也必须从那个线程中被调用。

实践上，不会在别的线程中使用GUI类，它们工作在主线程上，把一些耗时的操作放入独立的工作线程中。当工作线程运行完毕，把结果在主线程所拥有的屏幕上显示。

逐线程事件循环

每一个线程能够有它的事件循环，初始线程開始它的事件循环需使用QCoreApplication::exec(),别的线程開始它的事件循环须要用QThread::exec().像QCoreApplication一样，QThreadr提供了exit(int)函数。一个quit() slot。

线程中的事件循环，使得线程能够使用那些须要事件循环的非GUI 类(如。QTimer,QTcpSocket,QProcess)。

也能够把不论什么线程的signals连接到特定线程的slots，也就是说信号-槽机制是能够跨线程使用的。对于在QApplication之前创建的对象。QObject::thread()返回0,这意味着主线程仅为这些对象处理投递事件。不会为没有所属线程的对象处理另外的事件。

能够用QObject::moveToThread()来改变它和它孩子们的线程亲缘关系。假如对象有父亲。它不能移动这样的关系。在还有一个线程(而不是创建它的那个线程)中delete QObject对象是不安全的。除非你能够保证在同一时刻对象不在处理事件。

能够用QObject::deleteLater(),它会投递一个DeferredDelete事件，这会被对象线程的事件循环终于选取到。

假如没有事件循环运行，事件不会分发给对象。举例来说，假如你在一个线程中创建了一个QTimer对象，但从没有调用过exec(),那么QTimer就不会发射它的timeout()信号.对deleteLater()也不会工作。

(这相同适用于主线程)。你能够手工使用线程安全的函数QCoreApplication::postEvent()。在不论什么时候，给不论什么线程中的不论什么对象投递一个事件，事件会在那个创建了对象的线程中通过事件循环派发。

事件过滤器在全部线程中也被支持。只是它限定被监视对象与监视对象生存在同一线程中。类似地，QCoreApplication::sendEvent(不是postEvent()),仅用于在调用此函数的线程中向目标对象投递事件。

从别的线程中訪问QObject子类

QObject和全部它的子类是非线程安全的。这包括整个的事件投递系统。须要牢记的是，当你正从别的线程中訪问对象时，事件循环能够向你的QObject子类投递事件。假如你调用一个不生存在当前线程中的QObject子类的函数时，你必须用mutex来保护QObject子类的内部数据，否则会遭遇灾难或非预期结果。

像其他的对象一样，QThread对象生存在创建它的那个线程中—不是当QThread::run()被调用时创建的那个线程。

一般来讲，在你的QThread子类中提供slots是不安全的，除非你用mutex保护了你的成员变量。

还有一方面，你能够安全的从QThread::run()的实现中发射信号，由于信号发射是线程安全的。

跨线程的信号-槽

Qt支持三种类型的信号-槽连接：

1。直接连接，当signal发射时，slot马上调用。

此slot在发射signal的那个线程中被运行(不一定是接收对象生存的那个线程)
2，队列连接。当控制权回到对象属于的那个线程的事件循环时。slot被调用。此slot在接收对象生存的那个线程中被运行
3，自己主动连接(缺省)。假如信号发射与接收者在同一个线程中，其行为如直接连接。否则，其行为如队列连接。

连接类型可能通过以向connect()传递參数来指定。注意的是，当发送者与接收者生存在不同的线程中，而事件循环正运行于接收者的线程中，使用直接连接是不安全的。相同的道理。调用生存在不同的线程中的对象的函数也是不是安全的。QObject::connect()本身是线程安全的。

多线程与隐含共享

Qt为它的很多值类型使用了所谓的隐含共享(implicit sharing)来优化性能。原理比較简单，共享类包括一个指向共享数据块的指针，这个数据块中包括了真正原数据与一个引用计数。把深拷贝转化为一个浅拷贝，从而提高了性能。这样的机制在幕后发生作用，程序猿不须要关心它。假设深入点看，假如对象须要对数据进行改动，而引用计数大于1。那么它应该先detach()。以使得它改动不会对别的共享者产生影响。既然改动后的数据与原来的那份数据不同了，因此不可能再共享了，于是它先运行深拷贝，把数据取回来。再在这份数据上进行改动。

比如：

void QPen::setStyle(Qt::PenStyle style)
{
     detach();           // detach from common data
     d->style = style;   // set the style member
}
void QPen::detach()
{
     if (d->ref != 1) {
         ...             // perform a deep copy
     }
}

一般觉得，隐含共享与多线程不太和谐，由于有引用计数的存在。对引用计数进行保护的方法之中的一个是使用mutex,但它非常慢。Qt早期版本号没有提供一个惬意的解决方式。从4.0開始。隐含共享类能够安全地跨线程拷贝。如同别的值类型一样。

它们是全然可重入的。

隐含共享真的是”implicit”。

它使用汇编语言实现了原子性引用计数操作，这比用mutex快多了。
假如你在多个线程中同进訪问相同对象，你也须要用mutex来串行化訪问顺序,就如同其他可重入对象那样。总的来讲，隐含共享真的给”隐含“掉了，在多线程程序中。你能够把它们看成是一般的，非共享的，可重入的类型，这样的做法是安全的。