可重入與線程安全

在Qt文檔中，術語“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例上，可以被多個線程同時調用，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，因為它們典型地僅僅引用成員數(shù)據(jù)。任何線程可以在類的一個實例上調用這樣的成員函數(shù)，只要沒有別的線程在同一個實例上調用這個成員函數(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;
};
這個類不是線程安全的，因為假如多個線程都試圖修改數(shù)據(jù)成員 n,結果未定義。這是因為c++中的++和--操作符不是原子操作。實際上，它們會被擴展為三個機器指令：
1，把變量值裝入寄存器
2，增加或減少寄存器中的值
3，把寄存器中的值寫回內存
假如線程A與B同時裝載變量的舊值，在寄存器中增值，回寫。他們寫操作重疊了，導致變量值僅增加了一次。很明顯，訪問應該串行化：A執(zhí)行123步驟時不應被打斷。使這個類成為線程安全的最簡單方法是使用QMutex來保護數(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類在構造函數(shù)中自動對mutex進行加鎖，在析構函數(shù)中進行解鎖。隨便一提的是，mutex使用了mutable關鍵字來修飾，因為我們在value()函數(shù)中對mutex進行加鎖與解鎖操作，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，這是因為每個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，在多個線程中同時使用這些類是可能的。需要注意的是，這些類被設計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，你絕不應該傳遞QThread對象作為另一個對象的父親(因為QThread對象本身會在另一個線程中被創(chuàng)建)
2,事件驅動對象僅僅在單線程中使用。明確地說，這個規(guī)則適用于"定時器機制“與”網(wǎng)格模塊“，舉例來講，你不應該在一個線程中開始一個定時器或是連接一個套接字，當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用。實踐上，不會在別的線程中使用GUI類，它們工作在主線程上，把一些耗時的操作放入獨立的工作線程中，當工作線程運行完成，把結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系，假如對象有父親，它不能移動這種關系。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()),僅用于在調用此函數(shù)的線程中向目標對象投遞事件。

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，當你正從別的線程中訪問對象時，事件循環(huán)可以向你的QObject子類投遞事件。假如你調用一個不生存在當前線程中的QObject子類的函數(shù)時，你必須用mutex來保護QObject子類的內部數(shù)據(jù)，否則會遭遇災難或非預期結果。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QThread::run()被調用時創(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保護了你的成員變量。
另一方面，你可以安全的從QThread::run()的實現(xiàn)中發(fā)射信號，因為信號發(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signal發(fā)射時，slot立即調用。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，隊列連接，當控制權回到對象屬于的那個線程的事件循環(huán)時，slot被調用。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)與一個引用計數(shù)。把深拷貝轉化為一個淺拷貝，從而提高了性能。這種機制在幕后發(fā)生作用，程序員不需要關心它。如果深入點看，假如對象需要對數(shù)據(jù)進行修改，而引用計數(shù)大于1，那么它應該先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
     }
 }
一般認為，隱含共享與多線程不太和諧，因為有引用計數(shù)的存在。對引用計數(shù)進行保護的方法之一是使用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"。它使用匯編語言實現(xiàn)了原子性引用計數(shù)操作，這比用mutex快多了。
假如你在多個線程中同進訪問相同對象，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。