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QT开发（三十四）——QT多线程编程
QT开发（三十四）——QT多线程编程
一、QT多线程简介
QT通过三种形式提供了对线程的支持，分别是平台无关的线程类、线程安全的事件投递、跨线程的信号-槽连接。
QT中线程类包含如下：
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 是一个辅助类，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 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。
QThread的两种使用方法:
A、不使用事件循环。
a. 子类化 QThread
b. 重载 run 函数，run函数内有一个 while 或 for 的死循环
c. 设置一个标记为来控制死循环的退出。
B、使用事件循环。
a. 子类化 QThread，
b. 重载 run 使其调用 QThread::exec()
c. 为子类定义信号和槽，由于槽函数并不会在新开的 thread 运行，很多人为了解决这个问题在构造函数中调用 moveToThread(this)
Bradley T. Hughes 给出说明是： QThread 应该被看做是操作系统线程的接口或控制点，而不应该包含需要在新线程中运行的代码。需要运行的代码应该放到一个QObject的子类中，然后将该子类的对象moveToThread到新线程中。
在Qt4.4之前，run 是虚函数，必须子类化QThread来实现run函数。
而从Qt4.4开始，QThread不再支持抽象类，run 默认调用 QThread::exec() ，不需要子类化 QThread 了，只需要子类化一个 QObject 。
二、QThread线程
QThread是Qt线程中有一个公共的抽象类，所有的线程都是从QThread抽象类中派生的，要实现QThread中的纯虚函数run(),run()函数是通过start()函数来实现调用的。
创建线程对象的实例，调用QThread::start()，在子线程类run()里出现的代码将会在新建线程中被执行。
QCoreApplication::exec()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，是唯一允许执行GUI相关操作的线程。另外，必须在创建一个QThread之前创建QApplication(or QCoreApplication)对象。
1、线程的优先级
QThread线程总共有8个优先级
QThread::IdlePriority0scheduled only when no other threads are running.
QThread::LowestPriority1scheduled less often than LowPriority.
QThread::LowPriority2scheduled less often than NormalPriority.
QThread::NormalPriority3the default priority of the operating system.
QThread::HighPriority4scheduled more often than NormalPriority.
QThread::HighestPriority5scheduled more often than HighPriority.
QThread::TimeCriticalPriority6scheduled as often as possible.
QThread::InheritPriority7use the same priority as the creating thread. This is the default.
2、线程的创建
void start ( Priority priority = InheritPriority )
启动线程执行，启动后会发出started ()信号
3、线程的执行
int exec();
进入线程时间循环
virtual void run();
线程入口
4、线程的退出
void quit();
相当于exit(0);
void exit ( int returnCode = 0 );
调用exit后，thread将退出event loop，并从exec返回，exec的返回值就是returnCode。通常returnCode=0表示成功，其他值表示失败。
void terminate ();
结束线程，线程是否立即终止取决于操作系统。
线程被终止时，所有等待该线程Finished的线程都将被唤醒。
terminate是否调用取决于setTerminationEnabled ( bool enabled = true )开关。
5、线程的等待
void msleep ( unsigned long msecs )
void sleep ( unsigned long secs )
void usleep ( unsigned long usecs )
bool wait ( unsigned long time = ULONG_MAX )
线程将会被阻塞，等待time毫秒,如果线程退出，则wait会返回。
6、线程的状态
bool isFinished () const线程是否已经退出
bool isRunning () const线程是否处于运行状态
7、线程的属性
Priority priority () const
void setPriority ( Priority priority )
uint stackSize () const
void setStackSize ( uint stackSize )
void setTerminationEnabled ( bool enabled = true )
设置是否响应terminate()函数
8、线程与事件循环
QThread中对run()的默认实现调用了exec()，从而创建一个QEventLoop对象，由QEventLoop对象处理线程中事件队列（每一个线程都有一个属于自己的事件队列）中的事件。exec()在其内部不断做着循环遍历事件队列的工作，调用QThread的quit()或exit()方法使退出线程，尽量不要使用terminate()退出线程，terminate()退出线程过于粗暴，造成资源不能释放，甚至互斥锁还处于加锁状态。
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)。
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delete QObject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。
三、线程的同步
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。
1、互斥量QMutex
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。QMutex常用来保护共享数据访问。QMutex类所以成员函数是线程安全的。
头文件声明： #include <QMutex>
互斥量声明： QMutex m_Mutex;
互斥量加锁： m_Mutex.lock();
互斥量解锁： m_Mutex.unlock();
QMutex ( RecursionMode mode = NonRecursive )
QMutex有两种模式：Recursive, NonRecursive
A、Recursive
一个线程可以对mutex多次lock，直到相应次数的unlock调用后，mutex才真正被解锁。
B、NonRecursive
默认模式，mutex只能被lock一次。
如果使用了Mutex.lock()而没有对应的使用Mutex.unlcok()的话就会造成死锁，其他的线程将永远也得不到接触Mutex锁住的共享资源的机会。尽管可以不使用lock()而使用tryLock(timeout)来避免因为死等而造成的死锁( tryLock(负值)==lock()),但是还是很有可能造成错误。
bool tryLock();
如果当前其他线程已对该mutex加锁，则该调用会立即返回，而不被阻塞。
bool tryLock(int timeout);
如果当前其他线程已对该mutex加锁，则该调用会等待一段时间，直到超时
QMutex mutex;
int complexFunction(int flag)
{
mutex.lock();
int retVal = 0;
switch (flag) {
case 0:
case 1:
mutex.unlock();
return moreComplexFunction(flag);
case 2:
{
int status = anotherFunction();
if (status < 0) {
mutex.unlock();
return -2;
}
retVal = status + flag;
}
break;
default:
if (flag > 10) {
mutex.unlock();
return -1;
}
break;
}
mutex.unlock();
return retVal;
}2、互斥锁QMutexLocker
在较复杂的函数和异常处理中对QMutex类mutex对象进行lock()和unlock()操作将会很复杂，进入点要lock()，在所有跳出点都要unlock()，很容易出现在某些跳出点未调用unlock()，所以Qt引进了QMutex的辅助类QMutexLocker来避免lock()和unlock()操作。在函数需要的地方建立QMutexLocker对象，并把mutex指针传给QMutexLocker对象，此时mutex已经加锁，等到退出函数后，QMutexLocker对象局部变量会自己销毁，此时mutex解锁。
头文件声明： #include<QMutexLocker>
互斥锁声明： QMutexLocker mutexLocker(&m_Mutex);
互斥锁加锁： 从声明处开始（在构造函数中加锁）
互斥锁解锁： 出了作用域自动解锁（在析构函数中解锁）
QMutex mutex;
int complexFunction(int flag)
{
QMutexLocker locker(&mutex);
int retVal = 0;
switch (flag) {
case 0:
case 1:
return moreComplexFunction(flag);
case 2:
{
int status = anotherFunction();
if (status < 0)
return -2;
retVal = status + flag;
}
break;
default:
if (flag > 10)
return -1;
break;
}
return retVal;
}3、QReadWriteLock
QReadWriterLock 与QMutex相似，但对读写操作访问进行区别对待，可以允许多个读者同时读数据，但只能有一个写，并且写读操作不同同时进行。使用QReadWriteLock而不是QMutex，可以使得多线程程序更具有并发性。QReadWriterLock默认模式是NonRecursive。
QReadWriterLock类成员函数如下：
QReadWriteLock ( )
QReadWriteLock ( RecursionMode recursionMode )
void lockForRead ()
void lockForWrite ()
bool tryLockForRead ()
bool tryLockForRead ( int timeout )
bool tryLockForWrite ()
bool tryLockForWrite ( int timeout )
boid unlock ()
使用实例：
QReadWriteLock lock;
void ReaderThread::run()
{
lock.lockForRead();
read_file();
lock.unlock();
}
void WriterThread::run()
{
lock.lockForWrite();
write_file();
lock.unlock();
}4、QReadLocker和QWriteLocker
在较复杂的函数和异常处理中对QReadWriterLock类lock对象进行lockForRead()/lockForWrite()和unlock()操作将会很复杂，进入点要lockForRead()/lockForWrite()，在所有跳出点都要unlock()，很容易出现在某些跳出点未调用unlock()，所以Qt引进了QReadLocker和QWriteLocker类来简化解锁操作。在函数需要的地方建立QReadLocker或QWriteLocker对象，并把lock指针传给QReadLocker或QWriteLocker对象，此时lock已经加锁，等到退出函数后，QReadLocker或QWriteLocker对象局部变量会自己销毁，此时lock解锁。
QReadWriteLock lock;
QByteArray readData()
{
lock.lockForRead();
...
lock.unlock();
return data;
}
使用QReadLocker：
QReadWriteLock lock;
QByteArray readData()
{
QReadLocker locker(&lock);
...
return data;
}
5、信号量QSemaphore
QSemaphore 是QMutex的一般化，可以保护一定数量的相同资源，而一个mutex只保护一个资源。QSemaphore 类的所有成员函数是线程安全的。
经典的生产者-消费者模型如下：某工厂只有固定仓位，生产人员每天生产的产品数量不一，销售人员每天销售的产品数量也不一致。当生产人员生产P个产品时，就一次需要P个仓位，当销售人员销售C个产品时，就要求仓库中有足够多的产品才能销售。如果剩余仓位没有P个时，该批次的产品都不存入，当当前已有的产品没有C个时，就不能销售C个以上的产品，直到新产品加入后方可销售。
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。生产者不断向缓冲区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区。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。
QSemaphore 类成员函数：
QSemaphore ( int n = 0 )
void acquire ( int n = 1 )
int available () const
void release ( int n = 1 )
bool tryAcquire ( int n = 1 )
bool tryAcquire ( int n, int timeout )
实例代码：
QSemaphore sem(5); // sem.available() == 5
sem.acquire(3); // sem.available() == 2
sem.acquire(2); // sem.available() == 0
sem.release(5); // sem.available() == 5
sem.release(5); // sem.available() == 10
sem.tryAcquire(1); // sem.available() == 9, returns true
sem.tryAcquire(250); // sem.available() == 9, returns false
生产者-消费者实例：
#include <QtCore/QCoreApplication>
#include <QSemaphore>
#include <QThread>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
const int DataSize = 100000;
const int BufferSize = 8192;
char buffer[BufferSize];
QSemaphore production(BufferSize);
QSemaphore consumption;
class Producor:public QThread
{
public:
void run();
};
void Producor::run()
{
for(int i = 0; i < DataSize; i++)
{
production.acquire();
buffer[i%BufferSize] = "ACGT"[(int)qrand()%4];
consumption.release();
}
}
class Consumer:public QThread
{
public:
void run();
};
void Consumer::run()
{
for(int i = 0; i < DataSize; i++)
{
consumption.acquire();
fprintf(stderr, "%c", buffer[i%BufferSize]);
production.release();
}
fprintf(stderr, "%c", "\n");
}
int main(int argc, char *argv[])
{
QCoreApplication a(argc, argv);
Producor productor;
Consumer consumer;
productor.start();
consumer.start();
productor.wait();
consumer.wait();
return a.exec();
}Producer::run函数：
当producer线程执行run函数，如果buffer中已满，而consumer线程没有读，producer不能再往buffer中写字符,在 productor.acquire 处阻塞直到 consumer线程读(consume）数据。一旦producer获取到一个字节(资源）就写入一个随机的字符，并调用 consumer.release 使consumer线程可以获取一个资源(读一个字节的数据）。
Consumer::run函数：
当consumer线程执行run函数，如果buffer中没有数据，则consumer线程在consumer.acquire处阻塞，直到producer线程执行写操作写入一个字节，并执行consumer.release 使consumer线程的可用资源数=1时，consumer线程从阻塞状态中退出， 并将consumer 资源数-1，consumer当前资源数=0。
6、等待条件QWaitCondition
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QWaitCondition ,用wakeOne()或wakeAll()设置一个条件。wakeOne()随机唤醒一个，wakeAll()唤醒所有。
QWaitCondition ()
bool wait ( QMutex * mutex, unsigned long time = ULONG_MAX )
bool wait ( QReadWriteLock * readWriteLock, unsigned long time = ULONG_MAX )
void wakeOne ()
void wakeAll ()
头文件声明： #include <QWaitCondition>
等待条件声明： QWaitCondtion m_WaitCondition;
等待条件等待： m_WaitConditon.wait(&m_muxtex, time);
等待条件唤醒： m_WaitCondition.wakeAll();
在经典的生产者-消费者场合中，生产者首先必须检查缓冲是否已满(numUsedBytes==BufferSize)，如果缓冲区已满，线程停下来等待 bufferNotFull条件。如果没有满，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。QWaitCondition::wait() 接收一个mutex作为参数，mutex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,从锁定状态到等待状态的转换是原子操作。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。
#include <QtCore/QCoreApplication>
#include <QSemaphore>
#include <QThread>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <QWaitCondition>
#include <QMutex>
#include <QTime>
const int DataSize = 32;
const int BufferSize = 16;
char buffer[BufferSize];
QWaitCondition bufferNotEmpty;
QWaitCondition bufferNotFull;
QMutex mutex;
int used = 0;
class Producor:public QThread
{
public:
void run();
};
void Producor::run()
{
qsrand(QTime(0,0,0).secsTo(QTime::currentTime()));
for(int i = 0; i < DataSize; i++)
{
mutex.lock();
if(used == BufferSize)
bufferNotFull.wait(&mutex);
mutex.unlock();
buffer[i%BufferSize] = used;
mutex.lock();
used++;
bufferNotEmpty.wakeAll();
mutex.unlock();
}
}
class Consumer:public QThread
{
public:
void run();
};
void Consumer::run()
{
for(int i = 0; i < DataSize; i++)
{
mutex.lock();
if(used == 0)
bufferNotEmpty.wait(&mutex);
mutex.unlock();
fprintf(stderr, "%d\n", buffer[i%BufferSize]);
mutex.lock();
used--;
bufferNotFull.wakeAll();
mutex.unlock();
}
fprintf(stderr, "%c", "\n");
}
int main(int argc, char *argv[])
{
QCoreApplication a(argc, argv);
Producor productor;
Consumer consumer;
productor.start();
consumer.start();
productor.wait();
consumer.wait();
return a.exec();
}四、可重入与线程安全
可重入reentrant与线程安全thread-safe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。
1、可重入
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。
class Counter
{
public:
Counter() {n=0;}
void increment() {++n;}
void decrement() {--n;}
int value() const {return n;}
private:
int n;
};
Counter类是可重入的，但却不是线程安全的。假如多个线程都试图修改数据成员n,结果未定义。
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()。
2、线程安全
所有的GUI类（比如，QWidget和它的子类），操作系统核心类（比如，QProcess）和网络类都不是线程安全的。
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;
};
Counter类是可重入和线程安全的。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。mutex使用了mutable关键字来修饰，因为在value()函数中对mutex进行加锁与解锁操作，而value()是一个const函数。
QObject与线程
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。
五、线程与信号和槽
run 是线程的入口，run的开始和结束意味着线程的开始和结束，run函数中的代码在新建线程中执行。
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。
bool QObject::connect ( const QObject * sender, const char * signal, const QObject * receiver, const char *method, Qt::ConnectionType type = Qt::AutoConnection )
Qt::AutoConnection类型：Qt支持6种连接方式
A、Qt::DirectConnection（直连方式）（信号与槽函数关系类似于函数调用，同步执行）
当信号发出后，相应的槽函数将立即被调用。emit语句后的代码将在所有槽函数执行完毕后被执行。
当信号发射时，槽函数将直接被调用。
无论槽函数所属对象在哪个线程，槽函数都在发射信号的线程内执行。
B、Qt::QueuedConnection（队列方式）（此时信号被塞到信号队列里了，信号与槽函数关系类似于消息通信，异步执行）
当信号发出后，排队到信号队列中，需等到接收对象所属线程的事件循环取得控制权时才取得该信号，调用相应的槽函数。emit语句后的代码将在发出信号后立即被执行，无需等待槽函数执行完毕。
当控制权回到接受者所依附线程的事件循环时，槽函数被调用。
槽函数在接收者所依附线程执行。
C、Qt::AutoConnection（自动方式）
Qt的默认连接方式，如果信号的发出和接收这个信号的对象同属一个线程，那个工作方式与直连方式相同；否则工作方式与排队方式相同。
如果信号在接收者所依附的线程内发射，则等同于直接连接
如果发射信号的线程和接受者所依附的线程不同，则等同于队列连接
D、Qt::BlockingQueuedConnection(信号和槽必须在不同的线程中，否则就产生死锁)
这个是完全同步队列只有槽线程执行完成才会返回，否则发送线程也会一直等待，相当于是不同的线程可以同步起来执行。
E、Qt::UniqueConnection
与默认工作方式相同，只是不能重复连接相同的信号和槽，因为如果重复连接就会导致一个信号发出，对应槽函数就会执行多次。
F、Qt::AutoCompatConnection
是为了连接Qt4与Qt3的信号槽机制兼容方式，工作方式与Qt::AutoConnection一样。
如果这个参数不设置的话，默认表示的是那种方式呢？
没加的话与直连方式相同：当信号发出后，相应的槽函数将立即被调用。emit语句后的代码将在所有槽函数执行完毕后被执行。在这个线程内是顺序执行、同步的，但是与其它线程之间肯定是异步的了。如果使用多线程，仍然需要手动同步。
slot 函数属于我们在main中创建的对象 thread，即thread依附于主线程
队列连接告诉我们：槽函数在接受者所依附线程执行。即 slot 将在主线程执行
直接连接告诉我们：槽函数在发送信号的线程执行。
自动连接告诉我们：二者不同，等同于队列连接。即 slot 在主线程执行
QThread是用来管理线程的，QThread对象所依附的线程和所管理的线程并不是同一个概念。QThread所依附的线程，就是创建QThread对象的线程，QThread 所管理的线程，就是run启动的线程，也就是新建线程。QThread对象依附在主线程中，QThread对象的slot函数会在主线程中执行，而不是次线程。除非：
QThread对象依附到次线程中(通过movetoThread)
slot 和信号是直接连接，且信号在次线程中发射
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QT开发（三十四）——QT多线程编程