Qt同步线程
我们知道，多线程有的时候是很有用的，但是在访问一些公共的资源或者数据时，需要进行同步，否则会使数据遭到破坏或者获取的值不正确。Qt提供了一些类来实现线程的同步，如QMutex，QMutexLocker，QReadWriteLock，QReadLocker，QWriteLocker，QSemaphore和QWaitCondition。下面我们分别来看它们的用法：
QMutex
首先，简单的了解一下QMutex提供的函数。
构造函数：QMutex ( RecursionMode mode = NonRecursive )。
需要注意的是构造函数的参数，RecursionMode 递归模式。枚举类型RecursionMode 有两个值：
QMutex::Recursive，在这个模式下，一个线程可以多次锁同一个互斥量。需要注意的是，调用lock()多少次锁，就必须相应的调用unlock()一样次数解锁。
QMutex::NonRecursive(默认)，在这个模式下，一个线程只能锁互斥量一次。
void QMutex::lock ()
该函数用来锁住一个互斥量。如果另外的线程已经锁住了互斥量，函数将被阻塞等待另外的线程解锁互斥量。
如果是一个可递归的互斥量，则可以从同一个线程多次调用这个函数，如果是非递归的互斥量，多次调用这个函数将会引发死锁。我们来看看源码是怎么实现的。
void QMutex::lock()
{
QMutexPrivate *d = static_cast<QMutexPrivate*>(this->d);
Qt::HANDLE self;
if(d->recursive) {
self = QThread::currentThreadId();
if(d->owner == self) {
++d->count; //同一个线程多次lock时，仅仅自增count
//当然递归次数太多也会导致栈溢出
Q_ASSERT_X(d->count != 0, "QMutex::lock", "Overflowin recursion counter");
return;
}
boolisLocked = d->contenders.testAndSetAcquire(0, 1);
if(!isLocked) {
// didn'tget the lock, wait for it
isLocked = d->wait();
Q_ASSERT_X(isLocked, "QMutex::lock",
"Internalerror, infinite wait has timed out.");
}
d->owner = self; //递归模式时，owner记录拥有互斥量的线程
++d->count; //记录lock的次数
Q_ASSERT_X(d->count != 0, "QMutex::lock", "Overflowin recursion counter");
return;
}
//非递归模式时，
boolisLocked = d->contenders.testAndSetAcquire(0, 1); //尝试加锁
if(!isLocked) {
lockInternal(); //加锁失败则在lockInternal()中一直等到别的线程解锁。
}
}
看看lockInternal的实现
void QMutex::lockInternal()
{
。。。
do {
。。。。//其他代码太复杂，感觉最重要的就是这个while循环了，
//一直循环检测，试图加锁。这我们就好理解，非递归模式的//互斥量，不要在同一个线程里，多次调用lock了。因为第二次调用的时候会在
//这里死循环了
} while(d->contenders != 0 || !d->contenders.testAndSetAcquire(0, 1));
。。。。。。。
}
bool QMutex::tryLock ()
该函数试图锁一个互斥量，如果成功则返回true。如果另外的线程已经锁住了互斥量，函数直接返回false。
bool QMutex::tryLock ( int timeout )
该函数跟上面的trylock()相似。不同的是，如果互斥量在别的线程锁住的情况下，函数会等待timeout 毫秒。需要注意的是，如果传入的timeout 为负数，函数将无限期等待，跟调用lock()一样的效果。这个函数跟上面的差不多，所以只看该函数的源码实现就好了。
bool QMutex::tryLock(inttimeout)
{
QMutexPrivate *d = static_cast<QMutexPrivate*>(this->d);
Qt::HANDLE self;
if(d->recursive) {
self = QThread::currentThreadId();
if(d->owner == self) {
++d->count;
Q_ASSERT_X(d->count != 0, "QMutex::tryLock", "Overflow in recursion counter");
returntrue;
}
boolisLocked = d->contenders.testAndSetAcquire(0, 1);
if(!isLocked) {
// didn'tget the lock, wait for it
isLocked = d->wait(timeout); //尝试加锁失败则等待
if(!isLocked)
returnfalse;
}
d->owner = self;
++d->count;
Q_ASSERT_X(d->count != 0, "QMutex::tryLock", "Overflow in recursion counter");
return true;
}
//尝试加锁失败，(d->contenders.testAndSetAcquire(0,1)返回false，所以继续执行d->wait(timeout)；
return (d->contenders.testAndSetAcquire(0, 1) ||d->wait(timeout));
}
//在win下，wait函数实际上是用事件对象实现的
bool QMutexPrivate::wait(inttimeout)
{
if(contenders.fetchAndAddAcquire(1) == 0) {
// lockacquired without waiting
return true;
}
// 当timeout 小于0，则等待时间为INFINITE，这也就是为什么传负数参数时跟lock一样会无限期等待了
boolreturnValue = (WaitForSingleObject(event,timeout < 0 ? INFINITE : timeout) == WAIT_OBJECT_0);
contenders.deref();
returnreturnValue;
}
void QMutex::unlock ()
该函数对互斥量进行解锁。如果在另外的线程加锁，尝试在别的线程进行解锁则会引发错误。试图对没有加锁的互斥量解锁结果是未定义的。
QMutexLocker
QmutexLocker只是为了简化我们队互斥量的加锁和解锁操作。就像智能指针方便我们使用普通指针一样。
QMutexLocker (QMutex * mutex )。
构造函数必须传入一个互斥量指针，然后在构造函数里mutex直接调用lock()。
inline explicitQMutexLocker(QMutex *m)
{
Q_ASSERT_X((reinterpret_cast<quintptr>(m)& quintptr(1u)) == quintptr(0),
"QMutexLocker","QMutex pointer is misaligned");
if (m){
m->lockInline(); // mutex调用lock()加锁
val = reinterpret_cast<quintptr>(m)| quintptr(1u);
} else{
val = 0;
}
}
inline ~QMutexLocker() { unlock(); }
inline void unlock()
{
if((val & quintptr(1u)) == quintptr(1u)) {
val &= ~quintptr(1u);
mutex()->unlockInline(); //析构时调用unlock,确保mutex在离开调用线程时被解锁。
}
}
下面来看看具体的用法：
假设有个函数有很多return 语句，那么我们就必须记得在每个语句前unlock互斥量，否则互斥量将无法得到解锁，导致其他等待的线程无法继续执行。
int complexFunction(intflag)
{
mutex.lock();
int retVal = 0;
switch (flag) {
case 0:
case1:
retVal = moreComplexFunction(flag);
break;
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;
}
这样的代码显得很冗余又容易出错。如果我们用QMutexLocker
intcomplexFunction(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;
}
由于locker 是局部变量，在离开函数作用域时，mutex肯定会被解锁。
QreadWriteLock
QreadWriteLock是一个读写锁，主要用来同步保护需要读写的资源。当你想多个读线程可以同时读取资源，但是只能有一个写线程操作资源，而其他线程必须等待写线程完成时，这时候用这个读写锁就很有用了。QreadWriteLock也有递归和非递归模式之分。
我们主要来看看最重要的两个函数是如何实现读写操作的同步的。
void QReadWriteLock::lockForRead ()
该函数lock接了读操作的锁。如果有别的线程已经对lock接了写操作的锁，则函数会阻塞等待。
void QReadWriteLock::lockForRead()
{
QMutexLocker lock(&d->mutex);
Qt::HANDLE self = 0;
if(d->recursive) {
self = QThread::currentThreadId();
QHash<Qt::HANDLE, int>::iterator it = d->currentReaders.find(self);
if (it!= d->currentReaders.end()) {
++it.value();
++d->accessCount;
Q_ASSERT_X(d->accessCount >0, "QReadWriteLock::lockForRead()",
"Overflowin lock counter");
return;
}
}
// accessCount 小于0说明有写线程在操作资源，则阻塞
while(d->accessCount < 0 || d->waitingWriters) {
++d->waitingReaders; //自增等待的读线程数
d->readerWait.wait(&d->mutex);
--d->waitingReaders;
}
if(d->recursive)
d->currentReaders.insert(self, 1);
++d->accessCount; //自增，记录有多少个线程访问了资源
Q_ASSERT_X(d->accessCount > 0, "QReadWriteLock::lockForRead()", "Overflow in lock counter");
}
void QReadWriteLock::lockForWrite ()
该函数给lock加了写操作的锁，如果别的线程已经加了读或者写的锁，则函数会被阻塞。
void QReadWriteLock::lockForWrite()
{
QMutexLocker lock(&d->mutex);
Qt::HANDLE self = 0;
if(d->recursive) {
self = QThread::currentThreadId();
if(d->currentWriter == self) {
--d->accessCount;
Q_ASSERT_X(d->accessCount <0, "QReadWriteLock::lockForWrite()",
"Overflowin lock counter");
return;
}
}
// accessCount不等于0，说明有线程在操作资源，则函数阻塞等待。
// accessCount大于0说明有读线程在读取资源，
// accessCount小于0说明有写线程在写数据
while(d->accessCount != 0) {
++d->waitingWriters; //自增等待的写线程数
d->writerWait.wait(&d->mutex);
--d->waitingWriters;
}
if(d->recursive)
d->currentWriter = self;
--d->accessCount;
Q_ASSERT_X(d->accessCount < 0, "QReadWriteLock::lockForWrite()", "Overflow in lock counter");
}
void QReadWriteLock::unlock ()
解锁函数，下面我们看看源码是如何实现，让等待的写线程优先于读线程获得互斥量的锁的。
void QReadWriteLock::unlock()
{
QMutexLocker lock(&d->mutex);
Q_ASSERT_X(d->accessCount != 0, "QReadWriteLock::unlock()", "Cannot unlock an unlocked lock");
boolunlocked = false;
if(d->accessCount > 0) {
// releasinga read lock
if(d->recursive) {
Qt::HANDLE self =QThread::currentThreadId();
QHash<Qt::HANDLE, int>::iterator it =d->currentReaders.find(self);
if(it != d->currentReaders.end()) {
if(--it.value() <= 0)
d->currentReaders.erase(it);
}
}
// d->accessCount 说明没有线程在操作资源了unlocked为true
unlocked = --d->accessCount == 0;
} else if (d->accessCount < 0 &&++d->accessCount == 0)
{
// d->accessCount <0 说明有写线程在操作。则解锁unlocked = true;
// released awrite lock
unlocked = true;
d->currentWriter = 0;
}
//最重要的就是这里
if(unlocked) {
if(d->waitingWriters) {
//如果有写线程在等待，则wake一个写线程。前面我们已经知道，写线程是只
//能有一个对资源进行操作的，所以就wakeone了。
d->writerWait.wakeOne();
} else if (d->waitingReaders) {
//如果没有等待的写线程，则wake全部的读线程。因为读线程是可以多个对资源进行操作的。
d->readerWait.wakeAll();
}
}
}
下面是我自己简单的实现用例：
class Lock:publicQObject
{
Q_OBJECT
public:
Lock();
~Lock();
voidStart();
voidRead();
voidWrite();
voidReadThread1();
voidReadThread2();
voidWriteThread1();
voidWriteThread2();
protected:
private:
string strResource;
QReadWriteLock lock; //非¤?递ÌY归¨¦的Ì?
};
Lock::Lock()
{
strResource = "Hellworld ......";
}
Lock::~Lock()
{
}
void Lock::Read()
{
cout<<"Readdata :"<<strResource<<endl;
QEventLoop loop;
QTimer::singleShot(2000,&loop,SLOT(quit())); //为a了¢?使º1得Ì?停ª¡ê留¢?的Ì?时º¡À间?长¡è写¡ä效¡ì果?好?点Ì?，ê?暂Y停ª¡ê2s
loop.exec();
}
void Lock::Write()
{
strResource = "writelock ";
cout<<"Writedata :"<<strResource<<endl;
QEventLoop loop;
QTimer::singleShot(2000,&loop,SLOT(quit())); //为a了¢?使º1得Ì?停ª¡ê留¢?的Ì?时º¡À间?长¡è写¡ä效¡ì果?好?点Ì?，ê?暂Y停ª¡ê2s
loop.exec();
}
void Lock::ReadThread1()
{
lock.lockForRead();
cout<<"ReadThread1 lockForRead"<<endl;
Read();
cout<<"ReadThread1 unlock"<<endl;
lock.unlock();
}
void Lock::ReadThread2()
{
lock.lockForRead();
cout<<"ReadThread2 lockForRead"<<endl;
Read();
cout<<"ReadThread2 unlock"<<endl;
lock.unlock();
}
void Lock::WriteThread1()
{
lock.lockForWrite();
cout<<"WriteThread1 lockForWrite"<<endl;
Write();
cout<<"WriteThread1 unlock"<<endl;
lock.unlock();
}
void Lock::WriteThread2()
{
lock.lockForWrite();
cout<<"WriteThread2 lockForWrite"<<endl;
Write();
cout<<"WriteThread2 unlock"<<endl;
lock.unlock();
}
void Lock::Start()
{
QtConcurrent::run(this,&Lock::ReadThread1);
QtConcurrent::run(this,&Lock::ReadThread2);
QtConcurrent::run(this,&Lock::WriteThread1);
QtConcurrent::run(this,&Lock::WriteThread2);
}
这里我先启动两个读线程，再启动写线程，运行结果如下。我们发现先读线程1先加了锁，读线程1还没解锁的时候，读线程2已经加了锁，验证了读线程是可以同时进入的。
如果我改一下代码：
void Lock::Start()
{
QtConcurrent::run(this,&Lock::WriteThread1);
QtConcurrent::run(this,&Lock::ReadThread1);
QtConcurrent::run(this,&Lock::ReadThread2);
QtConcurrent::run(this,&Lock::WriteThread2);
}
我先启动WriteThread1，然后启动两个读线程，最后启动WriteThread2。运行结果如下，我们发现，WriteThread1运行完之后，先运行WriteThread2，最后才是两个读线程。验证了写线程比读线程先获得锁。
QSemaphore
QSemaphore是提供一个计数的信号量。信号量是泛化的互斥量。一个信号量只能锁一次，但是我们可以多次获得信号量。信号量可以用来同步保护一定数量的资源。
信号量支持两个基本是函数， acquire()和 release()：
acquire(n) ：尝试获取n个资源。如果没有足够的可用资源，该函数调用会被则是。
release(n) ：释放n个资源。
它们的源码实现也很简单：
void QSemaphore::acquire(intn)
{
Q_ASSERT_X(n >= 0, "QSemaphore::acquire", "parameter 'n' must be non-negative");
QMutexLocker locker(&d->mutex);
while (n> d->avail) //申请的资源n 大于可用资源avail则进入等待。
d->cond.wait(locker.mutex());
d->avail -= n;
}
void QSemaphore::release(intn)
{
Q_ASSERT_X(n >= 0, "QSemaphore::release", "parameter 'n' must be non-negative");
QMutexLocker locker(&d->mutex);
d->avail += n;
d->cond.wakeAll();
}
由于avail变量，实际就是一个int的计数变量 。所以我们在调用release()传入的参数n大于信号量初始值也没关系，只是说明可用资源增加了。
例如以下代码：
int main(int argc, char *argv[])
{
QCoreApplication a(argc, argv);
QSemaphore sem(5);
sem.acquire(5);
cout<<"acquire(5); "<<"remaindresource :"<<sem.available()<<endl;
sem.release(5);
cout<<"release(5) "<<"remaindresource :"<<sem.available()<<endl;
sem.release(10);
cout<<"release(10) "<<"remaindresource :"<<sem.available()<<endl;
sem.acquire(15);
cout<<"acquire(15); "<<"remaindresource :"<<sem.available()<<endl;
returna.exec();
}
信号量最著名的就是生产者与消费者的例子，以后再研究了。
QWaitCondition
QWaitCondition类提供了一个条件变量，它允许我们通知其他线程，等待的某些条件已经满足。等待QWaitCondition变量的可以是一个或多个线程。当我们用wakeOne()通知其他线程时，系统会随机的选中一个等待进行唤醒，让它继续运行。其实前面的信号量和读写锁内部实现都有用到QWaitCondition的。
下面我们来看这个类重要的几个函数：
ool QWaitCondition::wait ( QMutex * mutex, unsigned long time =ULONG_MAX )
该函数对mutex解锁，然后等待。在调用这个函数之前，mutex必须是加锁状态。如果mutex没有加锁，则函数直接返回。如果mutex是可递归的，函数也直接返回。该函数对mutex解锁，然后等待，知道以下条件之一满足：
1. 另外的线程调用wakeOne()或 wakeAll()，则该函数会返回true。
2. 时间过了Time毫秒。如果time为ULONG_MAX（默认），则将会一直等待不会超时。如果超时则返回false。
bool QWaitCondition::wait ( QReadWriteLock * readWriteLock, unsigned long time =ULONG_MAX )
函数对readWriteLock解锁并等待条件变量。在调用这个函数之前，readWriteLock必须是加锁状态的。如果不是加锁状态，则函数立即返回。readWriteLock必须不能是递归加锁的，否则将不能正确的解锁。返回的满足条件跟上面的函数一样。
http://blog.csdn.net/hai200501019/article/details/9889123