Qt 多线程程序设计

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原文地址：http://blog.21ic.com/user1/1425/archives/2009/64057.html

QT多线程程序设计

QT通过三种形式提供了对线程的支持。它们分别是，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程序更为容易，并能充分利用多处理器机器的优势。多线程编程也是一个有用的模式，它用于解决执行较长时间的操作而不至于用户界面失去响应。在Qt的早期版本中，在构建库时有不选择线程支持的选项，从4.0开始，线程总是有效的。

线程类

Qt包含下面一些线程相关的类：
QThread提供了开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，或互斥量
QMutexLocker是一个便利类，它可以自动对QMutex加锁与解锁
QReadWriterLock提供了一个可以同时读操作的锁
QReadLocker与QWriteLocker是便利类，它自动对QReadWriteLock加锁与解锁
QSemaphore提供了一个整型信号量，是互斥量的泛化
QWaitCondition提供了一种方法，使得线程可以在被另外线程唤醒之前一直休眠。

创建一个线程

为创建一个线程，子类化QThread并且重写它的run()函数，例如：
classMyThread :publicQThread
{
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执行。
注意：QCoreApplication::exec()必须总是在主线程(执行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，因为它是唯一一个允许执行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

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可以尽可能并发执行，而一些关键点上线程之间需要停止或等待。例如，假如两个线程试图同时访问同一个全局变量，结果可能不如所愿。
QMutex提供相互排斥的锁，或互斥量。在一个时刻至多一个线程拥有mutex,假如一个线程试图访问已经被锁定的mutex,那么它将休眠，直到拥有mutex的线程对此mutex解锁。Mutexes常用来保护共享数据访问。
QReadWriterLock与QMutex相似，除了它对 "read","write"访问进行区别对待。它使得多个读者可以共时访问数据。使用QReadWriteLock而不是QMutex，可以使得多线程程序更具有并发性。

QReadWriteLocklock;
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，它可以保护一定数量的相同资源，与此相对，一个mutex只保护一个资源。下面例子中，使用QSemaphore来控制对环状缓冲的访问，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，再从头开始。消费者从缓冲不断读取数据。信号量比互斥量有更好的并发性，假如我们用互斥量来控制对缓冲的访问，那么生产者，消费者不能同时访问缓冲。然而，我们知道在同一时刻，不同线程访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];

QSemaphorefreeBytes(BufferSize);
QSemaphoreusedBytes;

classProducer : publicQThread
{
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();
}
}

classConsumer : publicQThread
{
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[])
{
QCoreApplicationapp(argc, argv);
Producer producer;
Consumer consumer;
producer.start();
consumer.start();
producer.wait();
consumer.wait();
return 0;
}
QWaitCondition允许线程在某些情况发生时唤醒另外的线程。一个或多个线程可以阻塞等待一QWaitCondition ,用wakeOne()或wakeAll()设置一个条件。wakeOne()随机唤醒一个，wakeAll()唤醒所有。

下面的例子中，生产者首先必须检查缓冲是否已满(numUsedBytes==BufferSize)，如果是，线程停下来等待bufferNotFull条件。如果不是，在缓冲中生产数据，增加numUsedBytes,激活条件 bufferNotEmpty。使用mutex来保护对numUsedBytes的访问。另外，QWaitCondition::wait()接收一个mutex作为参数，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,而且，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。当程序开始运行时，只有生产者可以工作。消费者被阻塞等待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];

QWaitConditionbufferNotEmpty;
QWaitConditionbufferNotFull;
QMutexmutex;
int numUsedBytes = 0;

classProducer : publicQThread
{
public:
voidrun();
};

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();
}
}

classConsumer : publicQThread
{
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[])
{
QCoreApplicationapp(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如何用于多线程程序。假如一个类的任何函数在此类的多个不同的实例上，可以被多个线程同时调用，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可以正常工作，那么称之为“线程安全”的。
大多数c++类天生就是可重入的，因为它们典型地仅仅引用成员数据。任何线程可以在类的一个实例上调用这样的成员函数，只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，下面的Counter 类是可重入的：
classCounter
{
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，因为假如多个线程都试图修改数据成员 n,结果未定义。这是因为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，增加或减少寄存器中的值
3，把寄存器中的值写回内存
假如线程A与B同时装载变量的旧值，在寄存器中增值，回写。他们写操作重叠了，导致变量值仅增加了一次。很明显，访问应该串行化：A执行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：
classCounter
{
public:
Counter() { n = 0; }

void increment() {QMutexLockerlocker(&mutex); ++n; }
void decrement() {QMutexLockerlocker(&mutex); --n; }
int value() const {QMutexLockerlocker(&mutex); return n; }

private:
mutableQMutexmutex;
int n;
};
QMutexLocker类在构造函数中自动对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，因为我们在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执行开始与结束，而且也提供了许多slots。更有趣的是，QObjects可以用于多线程，这是因为每个线程被允许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，在多个线程中同时使用这些类是可能的。需要注意的是，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。有三种约束需要注意：
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对象作为另一个对象的父亲(因为QThread对象本身会在另一个线程中被创建)
2,事件驱动对象仅仅在单线程中使用。明确地说，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开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所有对象在你删除QThread前被删除。这很容易做到:你可以run()函数运行的栈上创建对象。

尽管QObject是可重入的，但GUI类，特别是QWidget与它的所有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，当工作线程运行完成，把结果在主线程所拥有的屏幕上显示。

逐线程事件循环

每个线程可以有它的事件循环，初始线程开始它的事件循环需使用QCoreApplication::exec(),别的线程开始它的事件循环需要用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，使得线程可以使用那些需要事件循环的非GUI 类(如，QTimer,QTcpSocket,QProcess)。也可以把任何线程的signals连接到特定线程的slots，也就是说信号-槽机制是可以跨线程使用的。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。可以用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，它不能移动这种关系。在另一个线程(而不是创建它的那个线程)中deleteQObject对象是不安全的。除非你可以保证在同一时刻对象不在处理事件。可以用QObject::deleteLater(),它会投递一个DeferredDelete事件，这会被对象线程的事件循环最终选取到。
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。(这同样适用于主线程)。你可以手工使用线程安全的函数QCoreApplication::postEvent()，在任何时候，给任何线程中的任何对象投递一个事件，事件会在那个创建了对象的线程中通过事件循环派发。事件过滤器在所有线程中也被支持，不过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。

从别的线程中访问QObject子类

QObject和所有它的子类是非线程安全的。这包括整个的事件投递系统。需要牢记的是，当你正从别的线程中访问对象时，事件循环可以向你的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。像其它的对象一样，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。
另一方面，你可以安全的从QThread::run()的实现中发射信号，因为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立即调用。此slot在发射signal的那个线程中被执行(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执行
3，自动连接(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()传递参数来指定。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。同样的道理，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为它的许多值类型使用了所谓的隐含共享(implicit sharing)来优化性能。原理比较简单，共享类包含一个指向共享数据块的指针，这个数据块中包含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。这种机制在幕后发生作用，程序员不需要关心它。如果深入点看，假如对象需要对数据进行修改，而引用计数大于1，那么它应该先detach()。以使得它修改不会对别的共享者产生影响，既然修改后的数据与原来的那份数据不同了，因此不可能再共享了，于是它先执行深拷贝，把数据取回来，再在这份数据上进行修改。例如：
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
}
}
一般认为，隐含共享与多线程不太和谐，因为有引用计数的存在。对引用计数进行保护的方法之一是使用mutex,但它很慢，Qt早期版本没有提供一个满意的解决方案。从4.0开始，隐含共享类可以安全地跨线程拷贝，如同别的值类型一样。它们是完全可重入的。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访问相同对象，你也需要用mutex来串行化访问顺序,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，你可以把它们看成是一般的，非共享的，可重入的类型，这种做法是安全的。