黑马程序员C语言教程Qt多线程程序设计.doc

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Qt多线程程序设计

分类： C/C++

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程序更为轻易，并能充足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，它用于处理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 包括下面某些线程有关的类：
QThread 提供了开始一个新线程的措施
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，它能够自动对QMutex加锁与解锁
QReadWriterLock 提供了一个能够同时读操作的锁
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 提供了一个措施，使得线程能够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：
class MyThread : public QThread
{
Q_OBJECT
protected:
void run();
};
void MyThread::run()
{
...
}
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()必须总是在根本程(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，根本程也被称为GUI线程，因为它是唯一一个允许执行GUI有关操作的线程。另外，你必须在创建一个QThread之前创建QApplication(or QCoreApplication)对象。

线程同时

QMutex, QReadWriteLock, QSemaphore, QWaitCondition 提供了线程同时的伎俩。使用线程的重要想法是希望它们能够尽也许并发执行，而某些核心点上线程之间需要停止或等候。例如，假如两个线程试图同时访问同一个全局变量，成果也许不如所愿。
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相同，除了它对 "read","write"访问进行区分看待。它使得多个读者能够共时访问数据。使用QReadWriteLock而不是QMutex，能够使得多线程程序更具备并发性。
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，它能够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。生产者不停向缓冲写入数据直到缓冲末端，再从头开始。消费者从缓冲不停读取数据。信号量比互斥量有愈加好的并发性，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，我们懂得在同一时刻，不一样线程访问缓冲的不一样部分并没有什么危害。
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。一个或多个线程能够阻塞等候一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)，假如是，线程停下来等候bufferNotFull条件。假如不是，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应当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会处在锁定状态,并且，从锁定状态到等候状态的转换是原子操作，这制止了竞争条件的产生。当程序开始运行时，只有生产者能够工作消费者被阻塞等候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];
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;
}

可重入与线程安全

在Qt文档中，术语“可重入”与“线程安全”被用来阐明一个函数怎样用于多线程程序。假如一个类的任何函数在此类的多个不一样的实例上，能够被多个线程同时调用，那么这个类被称为是“可重入”的。假如不一样的线程作用在同一个实例上仍能够正常工作，那么称之为“线程安全”的。
大多数c++类天生就是可重入的，因为它们经典地仅仅引用组员数据。任何线程能够在类的一个实例上调用这么的组员函数，只要没有别的线程在同一个实例上调用这个组员函数。举例来讲，下面的Counter 类是可重入的：

class Counter
{
public:
Counter() {n=0;}
void increment() {++n;}
void decrement() {--n;}
int value() const {return n;}
private:
int n;
};
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组员 n,成果未定义。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，把变量值装入存储器
2，增加或减少存储器中的值
3，把存储器中的值写回内存
假如线程A与B同时装载变量的旧值，在存储器中增值，回写。他们写操作重叠了，导致变量值仅增加了一次。很明显，访问应当串行化：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措施是使用QMutex来保护数据组员：
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类在结构函数中自动对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核心字来修饰，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。有某些类与函数是线程安全的，它们重要是线程有关的类，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，并且也提供了许多slots。更有趣的是，QObjects能够用于多线程，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也许的。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，这么的行为不能确保工作良好。有三种约束需要注意：
1，QObject的孩子总是应当在它爸爸被创建的那个线程中创建。这意味着，你绝不应当传递QThread对象作为另一个对象的爸爸(因为QThread对象自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，这个规则适合用于"定期器机制“与”网格模块“，举例来讲，你不应当在一个线程中开始一个定期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，你必须确保在线程中创建的所有对象在你删除QThread前被删除。这很轻易做到:你能够run()函数运行的栈上创建对象。
尽管QObject是可重入的，但GUI类，尤其是QWidget与它的所有子类都是不可重入的。它们仅用于根本程。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，它们工作在根本程上，把某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，把成果在根本程所拥有的屏幕上显示。

逐线程事件循环

每个线程能够有它的事件循环，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同样，QThreadr提供了exit(int)函数，一个quit() slot。
线程中的事件循环，使得线程能够使用那些需要事件循环的非GUI 类(如，QTimer,QTcpSocket,QProcess)。也能够把任何线程的signals连接到特定线程的slots，也就是说信号-槽机制是能够跨线程使用的。对于在QApplication之前创建的对象，QObject::thread()返回0,这意味着根本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。能够用QObject::moveToThread()来变化它和它孩子们的线程亲缘关系，假如对象有爸爸，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。除非你能够确保在同一时刻对象不在处理事件。能够用QObject::deleteLater(),它会投递一个DeferredDelete事件，这会被对象线程的事件循环最后选用到。
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。(这同样适合用于根本程)。你能够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。需要紧记的是，当你正从别的线程中访问对象时，事件循环能够向你的QObject子类投递事件。假如你调用一个不生存在目前线程中的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成果。像其他的对象同样，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保护了你的组员变量。
另首先，你能够安全的从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。
连接类型也许通过以向connect()传递参数来指定。注意的是，当发送者与接收者生存在不一样的线程中，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，调用生存在不一样的线程中的对象的函数也是不是安全的。QObject::connect()自身是线程安全的。

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，共享类包括一个指向共享数据块的指针，这个数据块中包括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，从而提升了性能。这种机制在幕后发生作用，程序员不需要关心它。假如深入点看，假如对象需要对数据进行修改，而引用计数不小于1，那么它应当先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本来的那份数据不一样了，因此不也许再共享了，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
}
}
一般以为，隐含共享与多线程不太友好，因为有引用计数的存在。对引用计数进行保护的措施之一是使用mutex,但它很慢，Qt早期版本没有提供一个满意的处理方案。从4.0开始，隐含共享类能够安全地跨线程拷贝，犹如别的值类型同样。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来串行化访问次序,就犹如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，你能够把它们当作是一般的，非共享的，可重入的类型，这种做法是安全的。