【Qt】Qt的线程（两种QThread类的详细使用方式）

冷不防 2022-05-22 11:44 358阅读 0赞

Qt提供QThread类以进行多任务处理。与多任务处理一样，Qt提供的线程可以做到单个线程做不到的事情。例如，网络应用程序中，可以使用线程处理多种连接器。

**QThread继承自QObject类，且提供QMutex类以实现同步。线程和进程共享全局变量，可以使用互斥体对改变后的全局变量值实现同步。因此，必须编辑全局数据时，使用互斥体实现同步，其它进程则不能改变或浏览全局变量值。**

什么是互斥体？

**互斥体实现了“互相排斥”（mutual exclusion）同步的简单形式（所以名为互斥体（mutex））。互斥体禁止多个线程同时进入受保护的代码“临界区”（critical section）。**

**在任意时刻，只有一个线程被允许进入代码保护区。任何线程在进入临界区之前，必须获取（acquire）与此区域相关联的互斥体的所有权。如果已有另一线程拥有了临界区的互斥体，其他线程就不能再进入其中。这些线程必须等待，直到当前的属主线程释放（release）该互斥体。**

什么时候需要使用互斥体呢？

**互斥体用于保护共享的易变代码，也就是，全局或静态数据。这样的数据必须通过互斥体进行保护，以防止它们在多个线程同时访问时损坏。**

## Qt线程基础 ##

### QThread的创建和启动 ###

class MyThread : public QThread
    {
        Q_OBJECT
    protected:
        void run();
    };
    
    void MyThread :: run(){
        ...
    }

如上述代码所示，**如果要创建线程，则必须继承QThread类。MyThread使用成员函数run()才会实现线程。**

### Qt提供的线程类 ###

<table>  Qt提供的线程类  
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;">线程类</td> 
   <td style="text-align:center;">说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QAtomicInt</td> 
   <td>提供了Integer上与平台无关的Qtomic运算</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QAtomicPointer</td> 
   <td>提供了指针上Atomic运算的模板函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QFuture</td> 
   <td>显示异步运算结果的类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QFutureSynchronizer</td> 
   <td>QFuture类简化同步而提供的类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QFutureWatcher</td> 
   <td>使用信号和槽，允许QFuture监听</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QMutex</td> 
   <td>访问类之间的同步</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QMutecLocker</td> 
   <td>简化Lock和Unlock Mutex的类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QReadWriteLock</td> 
   <td>控制读写操作的类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QReadLocker</td> 
   <td>为了读访问而提供的</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QWriteLocker</td> 
   <td>为了写访问而提供的</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QRunnable</td> 
   <td>正在运行的所有对象的父类，且定义了虚函数run()</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QSemaphore</td> 
   <td>一般的Count互斥体类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QThread</td> 
   <td>提供与平台无关的线程功能的类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QThreadPool</td> 
   <td>管理线程的类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QThreadStorage</td> 
   <td>提供每个线程存储区域的类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QWaitCondition</td> 
   <td>确认线程间同步的类的状态值</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 同步QThread的类 ###

为了同步线程，**Qt提供了QMutex、QReadWriteLock、QSemaphore和QWaitCondition类。主线程等待与其他线程的中断时，必须进行同步。**例如：两个线程同时访问共享变量，那么可能得不到预想的结果。因此，两个线程访问共享变量时，必须进行同步。

1.  一个线程访问指定的共享变量时，为了禁止其他线程访问，QMutex提供了类似锁定装置的功能。互斥体激活状态下，线程不能同时访问共享变量，必须在先访问的线程完成访问后，其他线程才可以继续访问。
2.  一个线程访问互斥体锁定的共享变量期间，如果其他线程也访问此共享变量，那么该线程将会一直处于休眠状态，直到正在访问的线程结束访问。这称为线程安全。
3.  QReadWriteLock和QMutex的功能相同，区别在于，QReadWriteLock对数据的访问分为读访问和写访问。很多线程频繁访问共享变量时，与QMetex相对，使用QReadWriteLock更合适。
4.  QSemaphore拥有和QMutex一样的同步功能，可以管理多个按数字识别的资源。QMutex只能管理一个资源，但如果使用QSemaphore，则可以管理多个按号码识别的资源。
5.  条件符合时，QWaitCondition允许唤醒线程。例如，多个线程中某个线程被阻塞时，通过QWaitCondition提供的函数wakeOne()和wakeAll()可以唤醒该线程。

### 可重入性与线程安全 ###

*  **可重入性：两个以上线程并行访问时，即使不按照调用顺序重叠运行代码，也必须保证结果；**
 *  **线程安全：线程并行运行的情况下，虽然保证可以使程序正常运行，但访问静态空间或共享（堆等内存对象）对象时，要使用互斥体等机制保证结果。**

**一个线程安全的函数不一定是可重入的；一个可重入的函数缺也不一定是线程安全的！**

可重入函数主要用于多任务环境中，一个可重入的函数简单来说就是可以被中断的函数，也就是说，可以在这个函数执行的任何时刻中断它，转入OS调度下去执行另外一段代码，而返回控制时不会出现什么错误；而不可重入的函数由于使用了一些系统资源，比如全局变量区，中断向量表等，所以它如果被中断的话，可能会出现问题，这类函数是不能运行在多任务环境下的。

**编写可重入函数时，若使用全局变量，则应通过关中断、信号量（即P、V操作）等手段对其加以保护。**若对所使用的全局变量不加以保护，则此函数就不具有可重入性，即当多个线程调用此函数时，很有可能使有关全局变量变为不可知状态。

满足下列条件的函数多数是不可重入的：

*  **函数体内使用了静态的数据结构和全局变量，若必须访问全局变量，利用互斥信号量来保护全局变量；；**
 *  **函数体内调用了malloc()或者free()函数；**
 *  **函数体内调用了标准I/O函数。**

常见的不可重入函数有：

*  **printf --------引用全局变量stdout**
 *  **malloc --------全局内存分配表**
 *  **free    --------全局内存分配表**

也就是说：本质上，可重入性与C++类或者没有全局静态变量的函数相似，由于只能访问自身所有的数据变量区域，所以即使有两个以上线程访问，也可以保证安全性。

### QThread和QObjects ###

QThread类继承自QObjects类。因此，线程开始或结束时，QThread类发生发送信号事件。信号与槽的功能是QThread类从QObject类继承的，可以通过信号与槽处理开始或结束等操作，所以可以实现多线程。QObject是基于QTimer、QTcpSocket、QUdpSocket和QProcess之类的非图形用户界面的子类。

基于非图形用户界面的子类可以无线程操作。单一类运行某功能时，可以不需要线程。但是，运行单一类的目标程序的上级功能时，则必须通过线程实现。

线程A和线程B没有结束的情况下，应设计使主线程时间循环不结束；而若线程A迟迟不结束而导致主线程循环也迟迟不能结束，故也要防止线程A没有在一定时间内结束。

### 处理QThread的信号和槽的类型 ###

Qt提供了可以决定信号与槽类型的枚举类，以在线程环境中适当处理事物。

<table>  决定信号与槽类型的枚举类  
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;">常量</td> 
   <td style="text-align:center;">值</td> 
   <td style="text-align:center;">说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Qt::AutoConnection</td> 
   <td>0</td> 
   <td>如果其他线程中发生信号，则会插入队列，像QueuedConnection一样，否则如DirectConnection一样，直接连接到槽。发送信号时决定Connection类型。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Qt::DirectConnection</td> 
   <td>1</td> 
   <td>发生信号事件后，槽立即响应</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Qt::QueuedConnection</td> 
   <td>2</td> 
   <td>返回收到的线程事件循环时，发生槽事件。槽在收到的线程中运行</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Qt::BlockingQueuedConnection</td> 
   <td>3</td> 
   <td>与QueuedConnection一样，返回槽时，线程被阻塞。建立在事件发生处使用该类型</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 使用QtConcurrent类的并行编程 ###

QtConcurrent类提供多线程功能，不使用互斥体、读写锁、等待条件和信号量等低级线程。使用QtConcurrent创建的程序会根据进程数自行调整使用的线程数。

## QThread类 ##

### 简述 ###

QThread类提供了与系统无关的线程。

**QThread代表在程序中一个单独的线程控制。线程在run()中开始执行，默认情况下，run()通过调用exec()启动事件循环并在线程里运行一个Qt的事件循环。**

### 详细描述 ###

QThread类可以不受平台影响而实现线程。**QThread提供在程序中可以控制和管理线程的多种成员函数和信号/槽。通过QThread类的成员函数start()启动线程。**

**QThread通过信号函数started()和finished()通知开始和结束，并查看线程状态；可以使用isFinished()和isRunning()来查询线程的状态；使用函数exit()和quit()可以结束线程。**

**如果使用多线程，有时需要等到所有线程终止。此时，使用函数wait()即可。线程中，使用成员函数sleep()、msleep()和usleep()可以暂停秒、毫秒及微秒单位的线程。**

一般情况下，wait()和sleep()函数应该不需要，因为Qt是一个事件驱动型框架。考虑监听finished()信号来取代wait()，使用QTimer来取代sleep()。

**静态函数currentThreadId()和currentThread()返回标识当前正在执行的线程。前者返回该线程平台特定的ID，后者返回一个线程指针。**

要设置线程的名称，可以在启动线程之前调用setObjectName()。如果不调用setObjectName()，线程的名称将是线程对象的运行时类型（QThread子类的类名）。

### 线程管理 ###

可以将常用的接口按照功能进行以下分类：

**线程启动**

void start(Priority priority = InheritPriority) [slot]

**调用后会执行run()函数，但在run()函数执行前会发射信号started()，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，那么这个函数什么也不做。优先级参数的效果取决于操作系统的调度策略。特别是那些不支持线程优先级的系统优先级将会被忽略（例如在Linux中，更多细节请参考http://linux.die.net/man/2/sched\_setscheduler）。

**线程执行**

int exec() [protected]

进入事件循环并等待直到调用exit()，返回值是通过调用exit()来获得，如果调用成功则范围0。

void run() [virtual protected]

**线程的起点，在调用start()之后，新创建的线程就会调用这个函数，默认实现调用exec()，大多数需要重新实现这个函数，便于管理自己的线程。该方法返回时，该线程的执行将结束。**

**线程退出**

void quit() [slot]

告诉线程事件循环退出，返回0表示成功，相当于调用了QThread::exit(0)。

void exit(int returnCode = 0)

告诉线程事件循环退出。 调用这个函数后，线程离开事件循环后返回，QEventLoop::exec()返回returnCode，按照惯例，0表示成功；任何非0值表示失败。

void terminate() [slot]

终止线程，线程可能会立即被终止也可能不会，这取决于操作系统的调度策略，使用terminate()之后再使用QThread::wait()，以确保万无一失。当线程被终止后，所有等待中的线程将会被唤醒。

警告：此函数比较危险，不鼓励使用。线程可以在代码执行的任何点被终止。线程可能在更新数据时被终止，从而没有机会来清理自己，解锁等等。。。总之，只有在绝对必要时使用此函数。

void requestInterruption()

请求线程的中断。该请求是咨询意见并且取决于线程上运行的代码，来决定是否及如何执行这样的请求。此函数不停止线程上运行的任何事件循环，并且在任何情况下都不会终止它。

**线程等待**

void msleep(unsigned long msecs) [static]     //强制当前线程睡眠msecs毫秒
    
    void sleep(unsigned long secs) [static]     //强制当前线程睡眠secs秒
    
    void usleep(unsigned long usecs) [static]     //强制当前线程睡眠usecs微秒
    
    bool wait(unsigned long time = ULONG_MAX)     //线程将会被阻塞，等待time毫秒。和sleep不同的是，如果线程退出，wait会返回。

**线程状态**

bool isFinished() const     //线程是否结束
    
    bool isRunning() const     //线程是否正在运行
    
    bool isInterruptionRequested() const     //如果线程上的任务运行应该停止，返回true。可以使用requestInterruption()请求中断。 
    
    //此函数可用于使长时间运行的任务干净地中断。从不检查或作用于该函数返回值是安全的，但是建议在长时间运行的函数中经常这样做。注意：不要过于频繁调用，以保持较低的开销。

**线程优先级**

void setPriority(Priority priority)

设置正在运行线程的优先级。如果线程没有运行，此函数不执行任何操作并立即返回。使用的start()来启动一个线程具有特定的优先级。优先级参数可以是QThread::Priority枚举除InheritPriortyd的任何值。

<table>  Qt多线程优先级  
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;">常量</td> 
   <td style="text-align:center;">值</td> 
   <td style="text-align:center;">优先级</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QThread::IdlePriority</td> 
   <td>0</td> 
   <td>没有其它线程运行时才调度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QThread::LowestPriority</td> 
   <td>1</td> 
   <td>比LowPriority调度频率低</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QThread::LowPriority</td> 
   <td>2</td> 
   <td>比NormalPriority调度频率低</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QThread::NormalPriority</td> 
   <td>3</td> 
   <td>操作系统的默认优先级</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QThread::HighPriority</td> 
   <td>4</td> 
   <td>比NormalPriority调度频繁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QThread::HighestPriority</td> 
   <td>5</td> 
   <td>比HighPriority调度频繁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QThread::TimeCriticalPriority</td> 
   <td>6</td> 
   <td>尽可能频繁的调度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>QThread::InheritPriority</td> 
   <td>7</td> 
   <td>使用和创建线程同样的优先级. 这是默认值</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## QThread类使用方式 ##

QThread的使用方法有如下两种：

*  QObject::moveToThread()
 *  继承QThread类

### QObject::moveToThread ###

方法描述：

1.  定义一个继承于QObject的worker类，在worker类中定义一个槽slot函数doWork()，这个函数中定义线程需要做的工作；
2.  在要使用线程的controller类中，新建一个QThread的对象和woker类对象，使用moveToThread()方法将worker对象的事件循环全部交由QThread对象处理；
3.  建立相关的信号函数和槽函数进行连接，然后发出信号触发QThread的槽函数，使其执行工作。

例子：

#ifndef WORKER_H
    #define WORKER_H
    #include <QObject>
    #include<QDebug>
    #include<QThread>
    class Worker:public QObject                    //work定义了线程要执行的工作
    {
        Q_OBJECT
    public:
        Worker(QObject* parent = nullptr){}
    public slots:
        void doWork(int parameter)                        //doWork定义了线程要执行的操作
        {
            qDebug()<<"receive the execute signal---------------------------------";
            qDebug()<<"     current thread ID:"<<QThread::currentThreadId();
           for(int i = 0;i!=1000000;++i)
           {
            ++parameter;
           }
           qDebug()<<"      finish the work and sent the resultReady signal\n";
           emit resultReady(parameter);           //emit啥事也不干，是给程序员看的，表示发出信号发出信号
        }
    
    signals:
        void resultReady(const int result);               //线程完成工作时发送的信号
    };
    
    #endif // WORKER_H

#ifndef CONTROLLER_H
    #define CONTROLLER_H
    #include <QObject>
    #include<QThread>
    #include<QDebug>
    class Controller : public QObject            //controller用于启动线程和处理线程执行结果
    {
        Q_OBJECT
        QThread workerThread;
    public:
        Controller(QObject *parent= nullptr);
        ~Controller();
    public slots:
        void handleResults(const int rslt)                        //处理线程执行的结果
        {
            qDebug()<<"receive the resultReady signal---------------------------------";
            qDebug()<<"     current thread ID:"<<QThread::currentThreadId()<<'\n';
            qDebug()<<"     the last result is:"<<rslt;
        }
    signals:
        void operate(const int);                        //发送信号触发线程
    };
    
    #endif // CONTROLLER_H

#include "controller.h"
    #include <worker.h>
    Controller::Controller(QObject *parent) : QObject(parent)
    {
        Worker *worker = new Worker;
        worker->moveToThread(&workerThread);            //调用moveToThread将该任务交给workThread
    
        connect(this, SIGNAL(operate(const int)), worker, SLOT(doWork(int)));            //operate信号发射后启动线程工作
        connect(&workerThread, &QThread::finished, worker, &QObject::deleteLater);            //该线程结束时销毁
        connect(worker, SIGNAL(resultReady(int)), this, SLOT(handleResults(int)));            //线程结束后发送信号，对结果进行处理
    
        workerThread.start();                //启动线程
        qDebug()<<"emit the signal to execute!---------------------------------";
        qDebug()<<"     current thread ID:"<<QThread::currentThreadId()<<'\n';
        emit operate(0);
    }
    
    Controller::~Controller()        //析构函数中调用quit()函数结束线程
    {
        workerThread.quit();
        workerThread.wait();
    }

### 继承QThread类 ###

方法描述

*  自定义一个继承QThread的类MyThread，重载MyThread中的run()函数，在run()函数中写入需要执行的工作；
 *  调用start()函数来启动线程。

例子：

#ifndef MYTHREAD_H
    #define MYTHREAD_H
    #include<QThread>
    #include<QDebug>
    class MyThread : public QThread
    {
        Q_OBJECT
    public:
        MyThread(QObject* parent = nullptr);
    signals:                //自定义发送的信号
        void myThreadSignal(const int);
    public slots:                //自定义槽
        void myThreadSlot(const int);
    protected:
        void run() override;
    };
    
    #endif // MYTHREAD_H

#include "mythread.h"
    
    MyThread::MyThread(QObject *parent)
    {
    
    }
    
    void MyThread::run()
    {
        qDebug()<<"myThread run() start to execute";
        qDebug()<<"     current thread ID:"<<QThread::currentThreadId()<<'\n';
        int count = 0;
        for(int i = 0;i!=1000000;++i)
        {
         ++count;
        }
        emit myThreadSignal(count);
        exec();
    }
    
    void MyThread::myThreadSlot(const int val)
    {
        qDebug()<<"myThreadSlot() start to execute";
        qDebug()<<"     current thread ID:"<<QThread::currentThreadId()<<'\n';
        int count = 888;
        for(int i = 0;i!=1000000;++i)
        {
         ++count;
        }
    }

#include "controller.h"
    #include <mythread.h>
    Controller::Controller(QObject *parent) : QObject(parent)
    {
        myThrd = new MyThread;
        connect(myThrd,&MyThread::myThreadSignal,this,&Controller::handleResults);
        connect(myThrd, &QThread::finished, this, &QObject::deleteLater);            //该线程结束时销毁
        connect(this,&Controller::operate,myThrd,&MyThread::myThreadSlot);
    
        myThrd->start();
        QThread::sleep(5);
        emit operate(999);
    }
    
    Controller::~Controller()
    {
        myThrd->quit();
        myThrd->wait();
    }

### 两种方法的比较 ###

两种方法来执行线程都可以，随便你的喜欢。不过看起来第二种更加简单，容易让人理解。不过我们的兴趣在于这两种使用方法到底有什么区别？其最大的区别在于：

*  **moveToThread方法，是把我们需要的工作全部封装在一个类中，将每个任务定义为一个的槽函数，再建立触发这些槽的信号，然后把信号和槽连接起来，最后将这个类调用moveToThread方法交给一个QThread对象，再调用QThread的start()函数使其全权处理事件循环。于是，任何时候我们需要让线程执行某个任务，只需要发出对应的信号就可以。其优点是我们可以在一个worker类中定义很多个需要做的工作，然后发出触发的信号线程就可以执行。相比于子类化的QThread只能执行run()函数中的任务，moveToThread的方法中一个线程可以做很多不同的工作（只要发出任务的对应的信号即可）。 **
 *  **子类化QThread的方法，就是重写了QThread中的run()函数，在run()函数中定义了需要的工作。这样的结果是，我们自定义的子线程调用start()函数后，便开始执行run()函数。如果在自定义的线程类中定义相关槽函数，那么这些槽函数不会由子类化的QThread自身事件循环所执行，而是由该子线程的拥有者所在线程（一般都是主线程）来执行。如果你不明白的话，请看，第二个例子中，子类化的线程的槽函数中输出当前线程的ID，而这个ID居然是主线程的ID！！事实的确是如此，子类化的QThread只能执行run()函数中的任务直到run()函数退出，而它的槽函数根本不会被自己的线程执行。**

### QThread的信号与槽 ###

启动或终止线程时，QThread提供了信号与槽。

<table>  QThread的信号  
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;">信号</td> 
   <td style="text-align:center;">含义</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void finished()</td> 
   <td>终止线程实例运行，发送信号</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void started()</td> 
   <td>启动线程实例，发送信号</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void terminated()</td> 
   <td>结束线程实例，则发送信号</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table>  QThread的槽  
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;">槽</td> 
   <td style="text-align:center;">含义</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void quit()</td> 
   <td>线程终止运行槽</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void start(Priority)</td> 
   <td>线程启动槽</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void terminate()</td> 
   <td>线程结束槽</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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