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QT通過(guò)三種形式提供了對(duì)線程的支持。它們分別是，一、平臺(tái)無(wú)關(guān)的線程類(lèi)，二、線程安全的事件投遞，三、跨線程的信號(hào)-槽連接。這使得開(kāi)發(fā)輕巧的多線程Qt程序更為容易，并能充分利用多處理器機(jī)器的優(yōu)勢(shì)。多線程編程也是一個(gè)有用的模式，它用于解決執(zhí)行較長(zhǎng)時(shí)間的操作而不至于用戶界面失去響應(yīng)。在Qt的早期版本中，在構(gòu)建庫(kù)時(shí)有不選擇線程支持的選項(xiàng)，從4.0開(kāi)始，線程總是有效的。
線程類(lèi)
Qt 包含下面一些線程相關(guān)的類(lèi)：
QThread 提供了開(kāi)始一個(gè)新線程的方法
QThreadStorage 提供逐線程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
QMutex 提供相互排斥的鎖，或互斥量
QMutexLocker 是一個(gè)便利類(lèi)，它可以自動(dòng)對(duì)QMutex加鎖與解鎖
QReadWriterLock 提供了一個(gè)可以同時(shí)讀操作的鎖
QReadLocker與QWriteLocker 是便利類(lèi)，它自動(dòng)對(duì)QReadWriteLock加鎖與解鎖
QSemaphore 提供了一個(gè)整型信號(hào)量，是互斥量的泛化
QWaitCondition 提供了一種方法，使得線程可以在被另外線程喚醒之前一直休眠。
創(chuàng)建一個(gè)線程
為創(chuàng)建一個(gè)線程，子類(lèi)化QThread并且重寫(xiě)它的run()函數(shù)，例如：
class MyThread : public QThread
{
Q_OBJECT
protected:
void run();
};
void MyThread::run()
{
...
}
之后，創(chuàng)建這個(gè)線程對(duì)象的實(shí)例，調(diào)用QThread::start()。于是，在run()里出現(xiàn)的代碼將會(huì)在另外線程中被執(zhí)行。
注意：QCoreApplication::exec()必須總是在主線程(執(zhí)行main()的那個(gè)線程)中被調(diào)用，不能從一個(gè)QThread中調(diào)用。在GUI程序中，主線程也被稱(chēng)為GUI線程，因?yàn)樗俏ㄒ灰粋€(gè)允許執(zhí)行GUI相關(guān)操作的線程。另外，你必須在創(chuàng)建一個(gè)QThread之前創(chuàng)建QApplication(or QCoreApplication)對(duì)象。
線程同步
QMutex, QReadWriteLock, QSemaphore, QWaitCondition 提供了線程同步的手段。使用線程的主要想法是希望它們可以盡可能并發(fā)執(zhí)行，而一些關(guān)鍵點(diǎn)上線程之間需要停止或等待。例如，假如兩個(gè)線程試圖同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)全局變量，結(jié)果可能不如所愿。
QMutex 提供相互排斥的鎖，或互斥量。在一個(gè)時(shí)刻至多一個(gè)線程擁有mutex,假如一個(gè)線程試圖訪問(wèn)已經(jīng)被鎖定的mutex,那么它將休眠，直到擁有mutex的線程對(duì)此mutex解鎖。Mutexes常用來(lái)保護(hù)共享數(shù)據(jù)訪問(wèn)。
QReadWriterLock 與QMutex相似，除了它對(duì) "read","write"訪問(wèn)進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。它使得多個(gè)讀者可以共時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)。使用QReadWriteLock而不是QMutex，可以使得多線程程序更具有并發(fā)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，它可以保護(hù)一定數(shù)量的相同資源，與此相對(duì)，一個(gè)mutex只保護(hù)一個(gè)資源。下面例子中，使用QSemaphore來(lái)控制對(duì)環(huán)狀緩沖的訪問(wèn)，此緩沖區(qū)被生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程共享。生產(chǎn)者不斷向緩沖寫(xiě)入數(shù)據(jù)直到緩沖末端，再?gòu)念^開(kāi)始。消費(fèi)者從緩沖不斷讀取數(shù)據(jù)。信號(hào)量比互斥量有更好的并發(fā)性，假如我們用互斥量來(lái)控制對(duì)緩沖的訪問(wèn)，那么生產(chǎn)者，消費(fèi)者不能同時(shí)訪問(wèn)緩沖。然而，我們知道在同一時(shí)刻，不同線程訪問(wèn)緩沖的不同部分并沒(méi)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 允許線程在某些情況發(fā)生時(shí)喚醒另外的線程。一個(gè)或多個(gè)線程可以阻塞等待一QWaitCondition ,用wakeOne()或wakeAll()設(shè)置一個(gè)條件。wakeOne()隨機(jī)喚醒一個(gè)，wakeAll()喚醒所有。
下面的例子中，生產(chǎn)者首先必須檢查緩沖是否已滿(numUsedBytes==BufferSize)，如果是，線程停下來(lái)等待bufferNotFull條件。如果不是，在緩沖中生產(chǎn)數(shù)據(jù)，增加numUsedBytes,激活條件 bufferNotEmpty。使用mutex來(lái)保護(hù)對(duì)numUsedBytes的訪問(wèn)。另外，QWaitCondition::wait()接收一個(gè)mutex作為參數(shù)，這個(gè)mutex應(yīng)該被調(diào)用線程初始化為鎖定狀態(tài)。在線程進(jìn)入休眠狀態(tài)之前，mutex會(huì)被解鎖。而當(dāng)線程被喚醒時(shí)，mutex會(huì)處于鎖定狀態(tài),而且，從鎖定狀態(tài)到等待狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是原子操作，這阻止了競(jìng)爭(zhēng)條件的產(chǎn)生。當(dāng)程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，只有生產(chǎn)者可以工作。消費(fèi)者被阻塞等待bufferNotEmpty條件，一旦生產(chǎn)者在緩沖中放入一個(gè)字節(jié)，bufferNotEmpty條件被激發(fā)，消費(fèi)者線程于是被喚醒。
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;
}
可重入與線程安全
在Qt文檔中，術(shù)語(yǔ)“可重入”與“線程安全”被用來(lái)說(shuō)明一個(gè)函數(shù)如何用于多線程程序。假如一個(gè)類(lèi)的任何函數(shù)在此類(lèi)的多個(gè)不同的實(shí)例上，可以被多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用，那么這個(gè)類(lèi)被稱(chēng)為是“可重入”的。假如不同的線程作用在同一個(gè)實(shí)例上仍可以正常工作，那么稱(chēng)之為“線程安全”的。
大多數(shù)c++類(lèi)天生就是可重入的，因?yàn)樗鼈兊湫偷貎H僅引用成員數(shù)據(jù)。任何線程可以在類(lèi)的一個(gè)實(shí)例上調(diào)用這樣的成員函數(shù)，只要沒(méi)有別的線程在同一個(gè)實(shí)例上調(diào)用這個(gè)成員函數(shù)。舉例來(lái)講，下面的Counter 類(lèi)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;
};
這個(gè)類(lèi)不是線程安全的，因?yàn)榧偃缍鄠€(gè)線程都試圖修改數(shù)據(jù)成員 n,結(jié)果未定義。這是因?yàn)閏++中的++和--操作符不是原子操作。實(shí)際上，它們會(huì)被擴(kuò)展為三個(gè)機(jī)器指令：
1，把變量值裝入寄存器
2，增加或減少寄存器中的值
3，把寄存器中的值寫(xiě)回內(nèi)存
假如線程A與B同時(shí)裝載變量的舊值，在寄存器中增值，回寫(xiě)。他們寫(xiě)操作重疊了，導(dǎo)致變量值僅增加了一次。很明顯，訪問(wèn)應(yīng)該串行化：A執(zhí)行123步驟時(shí)不應(yīng)被打斷。使這個(gè)類(lèi)成為線程安全的最簡(jiǎn)單方法是使用QMutex來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)成員：
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類(lèi)在構(gòu)造函數(shù)中自動(dòng)對(duì)mutex進(jìn)行加鎖，在析構(gòu)函數(shù)中進(jìn)行解鎖。隨便一提的是，mutex使用了mutable關(guān)鍵字來(lái)修飾，因?yàn)槲覀冊(cè)趘alue()函數(shù)中對(duì)mutex進(jìn)行加鎖與解鎖操作，而value()是一個(gè)const函數(shù)。
大多數(shù)Qt類(lèi)是可重入，非線程安全的。有一些類(lèi)與函數(shù)是線程安全的，它們主要是線程相關(guān)的類(lèi)，如QMutex,QCoreApplication::postEvent()。
線程與QObjects
QThread 繼承自QObject,它發(fā)射信號(hào)以指示線程執(zhí)行開(kāi)始與結(jié)束，而且也提供了許多slots。更有趣的是，QObjects可以用于多線程，這是因?yàn)槊總€(gè)線程被允許有它自己的事件循環(huán)。
QObject 可重入性
QObject是可重入的。它的大多數(shù)非GUI子類(lèi)，像QTimer,QTcpSocket,QUdpSocket,QHttp,QFtp,QProcess也是可重入的，在多個(gè)線程中同時(shí)使用這些類(lèi)是可能的。需要注意的是，這些類(lèi)被設(shè)計(jì)成在一個(gè)單線程中創(chuàng)建與使用，因此，在一個(gè)線程中創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，而在另外的線程中調(diào)用它的函數(shù)，這樣的行為不能保證工作良好。有三種約束需要注意：
1，QObject的孩子總是應(yīng)該在它父親被創(chuàng)建的那個(gè)線程中創(chuàng)建。這意味著，你絕不應(yīng)該傳遞QThread對(duì)象作為另一個(gè)對(duì)象的父親(因?yàn)镼Thread對(duì)象本身會(huì)在另一個(gè)線程中被創(chuàng)建)
2,事件驅(qū)動(dòng)對(duì)象僅僅在單線程中使用。明確地說(shuō)，這個(gè)規(guī)則適用于"定時(shí)器機(jī)制“與”網(wǎng)格模塊“，舉例來(lái)講，你不應(yīng)該在一個(gè)線程中開(kāi)始一個(gè)定時(shí)器或是連接一個(gè)套接字，當(dāng)這個(gè)線程不是這些對(duì)象所在的線程。
3，你必須保證在線程中創(chuàng)建的所有對(duì)象在你刪除QThread前被刪除。這很容易做到:你可以run()函數(shù)運(yùn)行的棧上創(chuàng)建對(duì)象。
盡管QObject是可重入的，但GUI類(lèi)，特別是QWidget與它的所有子類(lèi)都是不可重入的。它們僅用于主線程。正如前面提到過(guò)的，QCoreApplication::exec()也必須從那個(gè)線程中被調(diào)用。實(shí)踐上，不會(huì)在別的線程中使用GUI類(lèi)，它們工作在主線程上，把一些耗時(shí)的操作放入獨(dú)立的工作線程中，當(dāng)工作線程運(yùn)行完成，把結(jié)果在主線程所擁有的屏幕上顯示。
逐線程事件循環(huán)
每個(gè)線程可以有它的事件循環(huán)，初始線程開(kāi)始它的事件循環(huán)需使用QCoreApplication::exec(),別的線程開(kāi)始它的事件循環(huán)需要用QThread::exec().像QCoreApplication一樣，QThreadr提供了exit(int)函數(shù)，一個(gè)quit() slot。
線程中的事件循環(huán)，使得線程可以使用那些需要事件循環(huán)的非GUI 類(lèi)(如，QTimer,QTcpSocket,QProcess)。也可以把任何線程的signals連接到特定線程的slots，也就是說(shuō)信號(hào)-槽機(jī)制是可以跨線程使用的。對(duì)于在QApplication之前創(chuàng)建的對(duì)象，QObject::thread()返回0,這意味著主線程僅為這些對(duì)象處理投遞事件，不會(huì)為沒(méi)有所屬線程的對(duì)象處理另外的事件?？梢杂肣Object::moveToThread()來(lái)改變它和它孩子們的線程親緣關(guān)系，假如對(duì)象有父親，它不能移動(dòng)這種關(guān)系。在另一個(gè)線程(而不是創(chuàng)建它的那個(gè)線程)中delete QObject對(duì)象是不安全的。除非你可以保證在同一時(shí)刻對(duì)象不在處理事件。可以用QObject::deleteLater(),它會(huì)投遞一個(gè)DeferredDelete事件，這會(huì)被對(duì)象線程的事件循環(huán)最終選取到。
假如沒(méi)有事件循環(huán)運(yùn)行，事件不會(huì)分發(fā)給對(duì)象。舉例來(lái)說(shuō)，假如你在一個(gè)線程中創(chuàng)建了一個(gè)QTimer對(duì)象，但從沒(méi)有調(diào)用過(guò)exec(),那么QTimer就不會(huì)發(fā)射它的timeout()信號(hào).對(duì)deleteLater()也不會(huì)工作。(這同樣適用于主線程)。你可以手工使用線程安全的函數(shù)QCoreApplication::postEvent()，在任何時(shí)候，給任何線程中的任何對(duì)象投遞一個(gè)事件，事件會(huì)在那個(gè)創(chuàng)建了對(duì)象的線程中通過(guò)事件循環(huán)派發(fā)。事件過(guò)濾器在所有線程中也被支持，不過(guò)它限定被監(jiān)視對(duì)象與監(jiān)視對(duì)象生存在同一線程中。類(lèi)似地，QCoreApplication::sendEvent(不是postEvent()),僅用于在調(diào)用此函數(shù)的線程中向目標(biāo)對(duì)象投遞事件。
從別的線程中訪問(wèn)QObject子類(lèi)
QObject和所有它的子類(lèi)是非線程安全的。這包括整個(gè)的事件投遞系統(tǒng)。需要牢記的是，當(dāng)你正從別的線程中訪問(wèn)對(duì)象時(shí)，事件循環(huán)可以向你的QObject子類(lèi)投遞事件。假如你調(diào)用一個(gè)不生存在當(dāng)前線程中的QObject子類(lèi)的函數(shù)時(shí)，你必須用mutex來(lái)保護(hù)QObject子類(lèi)的內(nèi)部數(shù)據(jù)，否則會(huì)遭遇災(zāi)難或非預(yù)期結(jié)果。像其它的對(duì)象一樣，QThread對(duì)象生存在創(chuàng)建它的那個(gè)線程中---不是當(dāng)QThread::run()被調(diào)用時(shí)創(chuàng)建的那個(gè)線程。一般來(lái)講，在你的QThread子類(lèi)中提供slots是不安全的，除非你用mutex保護(hù)了你的成員變量。
另一方面，你可以安全的從QThread::run()的實(shí)現(xiàn)中發(fā)射信號(hào)，因?yàn)樾盘?hào)發(fā)射是線程安全的。
跨線程的信號(hào)-槽
Qt支持三種類(lèi)型的信號(hào)-槽連接：
1，直接連接，當(dāng)signal發(fā)射時(shí)，slot立即調(diào)用。此slot在發(fā)射signal的那個(gè)線程中被執(zhí)行(不一定是接收對(duì)象生存的那個(gè)線程)
2，隊(duì)列連接，當(dāng)控制權(quán)回到對(duì)象屬于的那個(gè)線程的事件循環(huán)時(shí)，slot被調(diào)用。此slot在接收對(duì)象生存的那個(gè)線程中被執(zhí)行
3，自動(dòng)連接(缺省)，假如信號(hào)發(fā)射與接收者在同一個(gè)線程中，其行為如直接連接，否則，其行為如隊(duì)列連接。
連接類(lèi)型可能通過(guò)以向connect()傳遞參數(shù)來(lái)指定。注意的是，當(dāng)發(fā)送者與接收者生存在不同的線程中，而事件循環(huán)正運(yùn)行于接收者的線程中，使用直接連接是不安全的。同樣的道理，調(diào)用生存在不同的線程中的對(duì)象的函數(shù)也是不是安全的。QObject::connect()本身是線程安全的。
多線程與隱含共享
Qt為它的許多值類(lèi)型使用了所謂的隱含共享(implicit sharing)來(lái)優(yōu)化性能。原理比較簡(jiǎn)單，共享類(lèi)包含一個(gè)指向共享數(shù)據(jù)塊的指針，這個(gè)數(shù)據(jù)塊中包含了真正原數(shù)據(jù)與一個(gè)引用計(jì)數(shù)。把深拷貝轉(zhuǎn)化為一個(gè)淺拷貝，從而提高了性能。這種機(jī)制在幕后發(fā)生作用，程序員不需要關(guān)心它。如果深入點(diǎn)看，假如對(duì)象需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，而引用計(jì)數(shù)大于1，那么它應(yīng)該先detach()。以使得它修改不會(huì)對(duì)別的共享者產(chǎn)生影響，既然修改后的數(shù)據(jù)與原來(lái)的那份數(shù)據(jù)不同了，因此不可能再共享了，于是它先執(zhí)行深拷貝，把數(shù)據(jù)取回來(lái)，再在這份數(shù)據(jù)上進(jìn)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
}
}
一般認(rèn)為，隱含共享與多線程不太和諧，因?yàn)橛幸糜?jì)數(shù)的存在。對(duì)引用計(jì)數(shù)進(jìn)行保護(hù)的方法之一是使用mutex,但它很慢，Qt早期版本沒(méi)有提供一個(gè)滿意的解決方案。從4.0開(kāi)始，隱含共享類(lèi)可以安全地跨線程拷貝，如同別的值類(lèi)型一樣。它們是完全可重入的。隱含共享真的是"implicit"。它使用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了原子性引用計(jì)數(shù)操作，這比用mutex快多了。
假如你在多個(gè)線程中同進(jìn)訪問(wèn)相同對(duì)象，你也需要用mutex來(lái)串行化訪問(wèn)順序,就如同其他可重入對(duì)象那樣?？偟膩?lái)講，隱含共享真的給”隱含“掉了，在多線程程序中，你可以把它們看成是一般的，非共享的，可重入的類(lèi)型，這種做法是安全的。