QT多线程续

晨曦之光 发布于 2012/04/13 11:19
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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。
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。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成员 n,结果未定义。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,把变量值装入寄存器
2,增加或减少寄存器中的值
3,把寄存器中的值写回内存
假如线程A与B同时装载变量的旧值,在寄存器中增值,回写。他们写操作重叠了,导致变量值仅增加了一次。很明显,访问应该串行化: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方法是使用QMutex 来保护数据成员:
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类在构造函数中自动对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 关键字来修饰,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 ()。

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,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。

逐线程事件循环

每个线程可以有它的事件循环,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一样,QThreadr提供了exit (int)函数,一个quit () slot。

线程中的事件循环,使得线程可以使用那些需要事件循环的非GUI 类(如,QTimer ,QTcpSocket ,QProcess )。也可以把任何线程的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。对于在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。

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。需要牢记的是,当你正从别的线程中访问对象时,事件循环可以向你的QObject子类投递事件。假如你调用一个不生存在当前线程中的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结果。像其它的对象一样,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保护了你的成员变量。
另一方面,你可以安全的从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。
连接类型可能通过以向connect ()传递参数来指定。注意的是,当发送者与接收者生存在不同的线程中,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,调用生存在不同的线程中的对象的函数也是不是安全的。QObject::connect ()本身是线程安全的。

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,共享类包含一个指向共享数据块的指针,这个数据块中包含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,从而提高了性能。这种机制在幕后发生作用,程序员不需要关心它。如果深入点看,假如对象需要对数据进行修改,而引用计数大于1,那么它应该先 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原来的那份数据不同了,因此不可能再共享了,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
     }
 }
一般认为,隐含共享与多线程不太和谐,因为有引用计数的存在。对引用计数进行保护的方法之一是使用mutex,但它很慢,Qt早期版本没有提供一个满意的解决方案。从4.0开始,隐含共享类可以安全地跨线程拷贝,如同别的值类型一样。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来串行化访问顺序,就如同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,你可以把它们看成是一般的,非共享的,可重入的类型,这种做法是安全的。


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