RTY 實(shí)踐出真知

QT通過三種形式提供了對線程的支持。它們分別是，一、平臺無關(guān)的線程類，二、線程安全的事件投遞，三、跨線程的信號-槽連接。這使得開發(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。多線程編程也是一個有用的模式，它用于解決執(zhí)行較長時(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)建庫時(shí)有不選擇線程支持的選項(xiàng)，從4.0開始，線程總是有效的。

線程類

Qt 包含下面一些線程相關(guān)的類：
QThread 提供了開始一個新線程的方法
QThreadStorage 提供逐線程數(shù)據(jù)存儲
QMutex 提供相互排斥的鎖，或互斥量
QMutexLocker 是一個便利類，它可以自動對QMutex加鎖與解鎖
QReadWriterLock 提供了一個可以同時(shí)讀操作的鎖
QReadLocker與QWriteLocker 是便利類，它自動對QReadWriteLock加鎖與解鎖
QSemaphore 提供了一個整型信號量，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)建一個線程

為創(chuàng)建一個線程，子類化QThread并且重寫它的run()函數(shù)，例如：

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

之后，創(chuàng)建這個線程對象的實(shí)例，調(diào)用QThread::start()。于是，在run()里出現(xiàn)的代碼將會在另外線程中被執(zhí)行。
注意：QCoreApplication::exec()必須總是在主線程(執(zhí)行main()的那個線程)中被調(diào)用，不能從一個QThread中調(diào)用。在GUI程序中，主線程也被稱為GUI線程，因?yàn)樗俏ㄒ灰粋€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QThread之前創(chuàng)建QApplication(or QCoreApplication)對象。

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，假如兩個線程試圖同時(shí)訪問同一個全局變量，結(jié)果可能不如所愿。
QMutex 提供相互排斥的鎖，或互斥量。在一個時(shí)刻至多一個線程擁有mutex,假如一個線程試圖訪問已經(jīng)被鎖定的mutex,那么它將休眠，直到擁有mutex的線程對此mutex解鎖。Mutexes常用來保護(hù)共享數(shù)據(jù)訪問。
QReadWriterLock 與QMutex相似，除了它對 "read","write"訪問進(jìn)行區(qū)別對待。它使得多個讀者可以共時(shí)訪問數(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，一個mutex只保護(hù)一個資源。下面例子中，使用QSemaphore來控制對環(huán)狀緩沖的訪問，此緩沖區(qū)被生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程共享。生產(chǎn)者不斷向緩沖寫入數(shù)據(jù)直到緩沖末端，再從頭開始。消費(fèi)者從緩沖不斷讀取數(shù)據(jù)。信號量比互斥量有更好的并發(fā)性，假如我們用互斥量來控制對緩沖的訪問，那么生產(chǎn)者，消費(fèi)者不能同時(shí)訪問緩沖。然而，我們知道在同一時(shí)刻，不同線程訪問緩沖的不同部分并沒有什么危害。

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。一個或多個線程可以阻塞等待一QWaitCondition ,用wakeOne()或wakeAll()設(shè)置一個條件。wakeOne()隨機(jī)喚醒一個，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來保護(hù)對numUsedBytes的訪問。另外，QWaitCondition::wait()接收一個mutex作為參數(shù)，這個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會被解鎖。而當(dāng)線程被喚醒時(shí)，mutex會處于鎖定狀態(tài),而且，從鎖定狀態(tài)到等待狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是原子操作，這阻止了競爭條件的產(chǎn)生。當(dāng)程序開始運(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“可重入”與“線程安全”被用來說明一個函數(shù)如何用于多線程程序。假如一個類的任何函數(shù)在此類的多個不同的實(shí)例上，可以被多個線程同時(shí)調(diào)用，那么這個類被稱為是“可重入”的。假如不同的線程作用在同一個實(shí)例上仍可以正常工作，那么稱之為“線程安全”的。
大多數(shù)c++類天生就是可重入的，因?yàn)樗鼈兊湫偷貎H僅引用成員數(shù)據(jù)。任何線程可以在類的一個實(shí)例上調(diào)用這樣的成員函數(shù)，只要沒有別的線程在同一個實(shí)例上調(diào)用這個成員函數(shù)。舉例來講，下面的Counter 類是可重入的：

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

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類在構(gòu)造函數(shù)中自動對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)鍵字來修飾，因?yàn)槲覀冊趘alue()函數(shù)中對mutex進(jìn)行加鎖與解鎖操作，而value()是一個const函數(shù)。
大多數(shù)Qt類是可重入，非線程安全的。有一些類與函數(shù)是線程安全的，它們主要是線程相關(guān)的類，如QMutex,QCoreApplication::postEvent()。

線程與QObjects

QThread 繼承自QObject,它發(fā)射信號以指示線程執(zhí)行開始與結(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€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，像QTimer,QTcpSocket,QUdpSocket,QHttp,QFtp,QProcess也是可重入的，在多個線程中同時(shí)使用這些類是可能的。需要注意的是，這些類被設(shè)計(jì)成在一個單線程中創(chuàng)建與使用，因此，在一個線程中創(chuàng)建一個對象，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)建的那個線程中創(chuàng)建。這意味著，你絕不應(yīng)該傳遞QThread對象作為另一個對象的父親(因?yàn)镼Thread對象本身會在另一個線程中被創(chuàng)建)
2,事件驅(qū)動對象僅僅在單線程中使用。明確地說，這個規(guī)則適用于"定時(shí)器機(jī)制“與”網(wǎng)格模塊“，舉例來講，你不應(yīng)該在一個線程中開始一個定時(shí)器或是連接一個套接字，當(dāng)這個線程不是這些對象所在的線程。
3，你必須保證在線程中創(chuàng)建的所有對象在你刪除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)建對象。

盡管QObject是可重入的，但GUI類，特別是QWidget與它的所有子類都是不可重入的。它們僅用于主線程。正如前面提到過的，QCoreApplication::exec()也必須從那個線程中被調(diào)用。實(shí)踐上，不會在別的線程中使用GUI類，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)

每個線程可以有它的事件循環(huán)，初始線程開始它的事件循環(huán)需使用QCoreApplication::exec(),別的線程開始它的事件循環(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(如，QTimer,QTcpSocket,QProcess)。也可以把任何線程的signals連接到特定線程的slots，也就是說信號-槽機(jī)制是可以跨線程使用的。對于在QApplication之前創(chuàng)建的對象，QObject::thread()返回0,這意味著主線程僅為這些對象處理投遞事件，不會為沒有所屬線程的對象處理另外的事件。可以用QObject::moveToThread()來改變它和它孩子們的線程親緣關(guān)系，假如對象有父親，它不能移動這種關(guān)系。在另一個線程(而不是創(chuàng)建它的那個線程)中delete QObject對象是不安全的。除非你可以保證在同一時(shí)刻對象不在處理事件。可以用QObject::deleteLater(),它會投遞一個DeferredDelete事件，這會被對象線程的事件循環(huán)最終選取到。
假如沒有事件循環(huán)運(yùn)行，事件不會分發(fā)給對象。舉例來說，假如你在一個線程中創(chuàng)建了一個QTimer對象，但從沒有調(diào)用過exec(),那么QTimer就不會發(fā)射它的timeout()信號.對deleteLater()也不會工作。(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象投遞一個事件，事件會在那個創(chuàng)建了對象的線程中通過事件循環(huán)派發(fā)。事件過濾器在所有線程中也被支持，不過它限定被監(jiān)視對象與監(jiān)視對象生存在同一線程中。類似地，QCoreApplication::sendEvent(不是postEvent()),僅用于在調(diào)用此函數(shù)的線程中向目標(biāo)對象投遞事件。

從別的線程中訪問QObject子類

QObject和所有它的子類是非線程安全的。這包括整個的事件投遞系統(tǒng)。需要牢記的是，當(dāng)你正從別的線程中訪問對象時(shí)，事件循環(huán)可以向你的QObject子類投遞事件。假如你調(diào)用一個不生存在當(dāng)前線程中的QObject子類的函數(shù)時(shí)，你必須用mutex來保護(hù)QObject子類的內(nèi)部數(shù)據(jù)，否則會遭遇災(zāi)難或非預(yù)期結(jié)果。像其它的對象一樣，QThread對象生存在創(chuàng)建它的那個線程中---不是當(dāng)QThread::run()被調(diào)用時(shí)創(chuàng)建的那個線程。一般來講，在你的QThread子類中提供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，因?yàn)樾盘柊l(fā)射是線程安全的。

跨線程的信號-槽

Qt支持三種類型的信號-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的那個線程中被執(zhí)行(不一定是接收對象生存的那個線程)
2，隊(duì)列連接，當(dāng)控制權(quán)回到對象屬于的那個線程的事件循環(huán)時(shí)，slot被調(diào)用。此slot在接收對象生存的那個線程中被執(zhí)行
3，自動連接(缺省)，假如信號發(fā)射與接收者在同一個線程中，其行為如直接連接，否則，其行為如隊(duì)列連接。
連接類型可能通過以向connect()傳遞參數(shù)來指定。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為它的許多值類型使用了所謂的隱含共享(implicit sharing)來優(yōu)化性能。原理比較簡單，共享類包含一個指向共享數(shù)據(jù)塊的指針，這個數(shù)據(jù)塊中包含了真正原數(shù)據(jù)與一個引用計(jì)數(shù)。把深拷貝轉(zhuǎn)化為一個淺拷貝，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，假如對象需要對數(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()。以使得它修改不會對別的共享者產(chǎn)生影響，既然修改后的數(shù)據(jù)與原來的那份數(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，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早期版本沒有提供一個滿意的解決方案。從4.0開始，隱含共享類可以安全地跨線程拷貝，如同別的值類型一樣。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。
假如你在多個線程中同進(jìn)訪問相同對象，你也需要用mutex來串行化訪問順序,就如同其他可重入對象那樣。總的來講，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，可重入的類型，這種做法是安全的。