【QT】线程控制和同步

概述

QThread常用API

线程使用

创建一个QThread的子类

主线程启动线程

线程安全

互斥锁

QMutex

使用示例：两个线程一个共享静态变量进行++

线程子类创建

主线程调用

QMutexLocker

条件变量

信号量

概述

在 Qt 中，多线程的处理⼀般是通过 QThread类来实现。
QThread 代表⼀个在应⽤程序中可以独⽴控制的线程，也可以和进程中的其他线程共享数据。
QThread 对象管理程序中的⼀个控制线程。

QThread要想创建线程，就需要创建出这样类的实例，创建线程的时候，需要重点指定线程的入口函数，创建一个QThread的子类，重写其中的run函数，起到指定入口函数的方式。

QThread常用API

run()	线程的⼊⼝函数..
start()	通过调⽤ run() 开始执⾏线程。操作系统将根据优先级参数调度线程。如果线程已经在运⾏，这个函数什么也不做。
currentThread()	返回⼀个指向管理当前执⾏线程的 QThread的指针。
isRunning()	如果线程正在运⾏则返回true;否则返回false。
sleep() / msleep() / usleep()	使线程休眠，单位为秒 / 毫秒 / 微秒
wait()	阻塞线程，直到满⾜以下任何⼀个条件: 与此 QThread 对象关联的线程已经完成执⾏(即当它从run()返回时)。如果线程已经完成，这个函数将返回 true。如果线程尚未启动，它也返回 true。已经过了⼏毫秒。如果时间是 ULONG_MAX(默认值)，那么等待永远不会超时(线程必须从run()返回)。如果等待超时，此函数将返回 false。这提供了与 POSIX pthread_join() 函数类似的功能
terminate()	终⽌线程的执⾏。线程可以⽴即终⽌，也可以不⽴即终⽌，这取决于操作系统的调度策略。在terminate() 之后使⽤ QThread::wait() 来确保。
finished()	当线程结束时会发出该信号，可以通过该信号来实现线程的清理⼯作。

线程使用

由于存在线程安全的问题，多个线程同时对于界面的状态进行修改，此时就会导致界面出错了，因此在qt中，多线程内部不允许对界面的控件状态进行修改，只能在主线程中进行修改。

创建一个QThread的子类

thread.h

#ifndef THREAD_H
#define THREAD_H
#include <QThread>
#include <QWidget>class Thread : public QThread
{Q_OBJECT
public:Thread();void run();
signals:void notify();
};#endif // THREAD_H

thread.cpp

#include "thread.h"Thread::Thread()
{}void Thread::run()
{for(int i = 0 ; i < 10; i++){sleep(1);emit notify();}
}

主线程启动线程

widget.h

#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H
#include "thread.h"
#include <QWidget>QT_BEGIN_NAMESPACE
namespace Ui { class Widget; }
QT_END_NAMESPACEclass Widget : public QWidget
{Q_OBJECTpublic:Widget(QWidget *parent = nullptr);~Widget();void handle();
private:Ui::Widget *ui;Thread thread;
};
#endif // WIDGET_H

widget.cpp

#include "widget.h"
#include "ui_widget.h"Widget::Widget(QWidget *parent): QWidget(parent), ui(new Ui::Widget)
{ui->setupUi(this);connect(&thread,&Thread::notify,this,&Widget::handle);thread.start();
}Widget::~Widget()
{delete ui;
}void Widget::handle()
{int value = ui->lcdNumber->intValue();ui->lcdNumber->display(--value);
}

客户端中的多线程，主要用于通过多线程的方式，执行一些耗时的等待IO的操作，避免主线程被卡死，比如当用户需要上传/下载一个很大的文件，我们可以使用单独的线程，来处理这种密集的IO操作，要挂起也是挂起这个新的线程，主线程负责事件循环，负责处理用户的各种操作。

线程安全

实现线程互斥和同步常⽤的类有：

互斥锁：QMutex、QMutexLocker
条件变量：QWaitCondition
信号量：QSemaphore
读写锁：QReadLocker、QWriteLocker、QReadWriteLock

互斥锁

互斥锁是⼀种保护和防⽌多个线程同时访问同⼀对象实例的⽅法，在 Qt 中，互斥锁主要是通过 QMutex类来处理。QMutex中lock加锁，unlock解锁。

QMutex

特点：QMutex 是 Qt 框架提供的互斥锁类，⽤于保护共享资源的访问，实现线程间的互斥操作。

⽤途：在多线程环境下，通过互斥锁来控制对共享数据的访问，确保线程安全。

使用示例：两个线程一个共享静态变量进行++

线程子类创建

thread.h

#ifndef THREAD_H
#define THREAD_H
#include <QThread>
#include <QWidget>
#include <QMutex>
class Thread : public QThread
{Q_OBJECT
public:Thread();void run();//共享资源static int num;//创建一把锁QMutex mutex;
signals:void notify();
};#endif // THREAD_H

thread.cpp

#include "thread.h"int Thread::num=0;
Thread::Thread()
{}void Thread::run()
{for(int i = 0 ; i < 10; i++){mutex.lock();num++;mutex.unlock();}
}

主线程调用

#include "widget.h"
#include "ui_widget.h"
#include <QDebug>Widget::Widget(QWidget *parent): QWidget(parent), ui(new Ui::Widget)
{ui->setupUi(this);Thread::num=0;Thread t1,t2;t1.start();t2.start();//让主线程等待两个线程执行完毕t1.wait();t2.wait();qDebug()<<Thread::num;
}Widget::~Widget()
{delete ui;
}

QMutexLocker

上述的代码中，在获取到锁后，执行我们指定的逻辑，一旦发生错误，或者异常将会导致锁未释放，因此我们需要引入 QMutexLocker locker(&mutex);

特点：QMutexLocker 是 QMutex 的辅助类，使⽤ RAII（Resource Acquisition Is Initialization）⽅式对互斥锁进⾏上锁和解锁操作。

⽤途：简化对互斥锁的上锁和解锁操作，避免忘记解锁导致的死锁等问题。

代码示例：

void Thread::run()
{for(int i = 0 ; i < 10; i++){QMutexLocker locker(&mutex); //在作⽤域内⾃动上锁num++;}//在作⽤域结束时⾃动解锁
}

此外还有QReadWriteLocker、QReadLocker、QWriteLocker

特点：

QReadWriteLock 是读写锁类，⽤于控制读和写的并发访问。
QReadLocker ⽤于读操作上锁，允许多个线程同时读取共享资源。
QWriteLocker ⽤于写操作上锁，只允许⼀个线程写⼊共享资源。
⽤途：在某些情况下，多个线程可以同时读取共享数据，但只有⼀个线程能够进⾏写操作。读写锁提供了更⾼效的并发访问⽅式。

条件变量

在多线程编程中，假设除了等待操作系统正在执⾏的线程之外，某个线程还必须等待某些条件满⾜才能执⾏，这时就会出现问题。这种情况下，线程会很⾃然地使⽤锁的机制来阻塞其他线程，因为这只是线程的轮流使⽤，并且该线程等待某些特定条件，⼈们会认为需要等待条件的线程，在释放互斥锁或读写锁之后进⼊了睡眠状态，这样其他线程就可以继续运⾏。当条件满⾜时，等待条件的线程将被另⼀个线程唤醒。

在 Qt 中，专⻔提供了 QWaitCondition类来解决像上述这样的问题。

特点：QWaitCondition 是 Qt 框架提供的条件变量类，⽤于线程之间的消息通信和同步。
⽤途：在某个条件满⾜时等待或唤醒线程，⽤于线程的同步和协调

也就是说多个线程之间的调度是无序的，为了能够一定程度的干预线程之间的执行顺序，需要引入条件变量。

QMutex mutex;

QWaitCondition condition;

// 在等待线程中

mutex. lock ();

// 检查条件是否满⾜，若不满⾜则等待

while (! conditionFullfilled ())

{

condition. wait (&mutex); // 等待条件满⾜并释放锁

}

// 条件满⾜后继续执⾏

//...

mutex. unlock ();

// 在改变条件的线程中

mutex. lock ();

// 改变条件

changeCondition ();

condition. wakeAll (); // 唤醒等待的线程

mutex. unlock ();

信号量

有时在多线程编程中，需要确保多个线程可以相应的访问⼀个数量有限的相同资源。例如，运⾏程序的设备可能是⾮常有限的内存，因此我们更希望需要⼤量内存的线程将这⼀事实考虑在内，并根据可⽤的内存数量进⾏相关操作，多线程编程中类似问题通常⽤信号量来处理。信号量类似于增强的互斥锁，不仅能完成上锁和解锁操作，⽽且可以跟踪可⽤资源的数量。

特点：QSemaphore 是 Qt 框架提供的计数信号量类，⽤于控制同时访问共享资源的线程数量。
⽤途：限制并发线程数量，⽤于解决⼀些资源有限的问题。

QSemaphore semaphore ( 2 ); // 同时允许两个线程访问共享资源

// 在需要访问共享资源的线程中

semaphore. acquire (); // 尝试获取信号量，若已满则阻塞

// 访问共享资源

//...

semaphore. release (); // 释放信号量

// 在另⼀个线程中进⾏类似操作