Qt中的多线程编程

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Qt 作为一种基于 C++ 的跨平台 GUI 系统，能够提供给用户构造图形用户界面的强大功能。为了满足用户构造复杂图形界面系统的需求，Qt 提供了丰富的多线程编程支持。

Qt 作为一种基于 C++ 的跨平台 GUI 系统，能够提供给用户构造图形用户界面的强大功能。为了满足用户构造复杂图形界面系统的需求，Qt 提供了丰富的多线程编程支持。从 2.2 版本开始，Qt 主要从下面三个方面对多线程编程提供支持：一、构造了一些基本的与平台无关的线程类；二、提交用户自定义事件的 Thread-safe 方式；三、多种线程间同步机制，如信号量，全局锁。这些都给用户提供了极大的方便。不过，在某些情况下，使用定时器机制能够比利用 Qt 本身的多线程机制更方便地实现所需要的功能，同时也避免了不安全的现象发生。本文不仅对 Qt 中的多线程支持机制进行了讨论，还着重探讨了利用定时器机制模拟多线程编程的方法。

1、系统对多线程编程的支持

不同的平台对 Qt 的多线程支持方式是不同的。当用户在 Windows 操作系统上安装 Qt 系统时，线程支持是编译器的一个选项，在 Qt 的 mkfiles 子目录中包括了不同种类编译器的编译文件，其中带有 -mt 后缀的文件才是支持多线程的。

而在 Unix 操作系统中，线程的支持是通过在运行 configure 脚本文件时添加 -thread 选项加入的。安装过程将创建一个独立的库，即 libqt-mt，因此要支持多线程编程时，必须与该库链接（链接选项为-lqt-mt），而不是与通常的 Qt 库（-lqt）链接。

另外，无论是何种平台，在增加线程支持时都需要定义宏 QT_THREAD_SUPPORT（即增加编译选项-DQT_THREAD_SUPPORT）。在 Windows 操作系统中，这一点通常是在 qconfig.h 文件中增加一个选项来实现的。而在 Unix 系统中通常添加在有关的 Makefile 文件中。

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2、Qt中的线程类

在 Qt 系统中与线程相关的最重要的类当然是 QThread 类，该类提供了创建一个新线程以及控制线程运行的各种方法。线程是通过 QThread::run() 重载函数开始执行的，这一点很象 Java 语言中的线程类。在 Qt 系统中，始终运行着一个GUI 主事件线程，这个主线程从窗口系统中获取事件，并将它们分发到各个组件去处理。在 QThread 类中还有一种从非主事件线程中将事件提交给一个对象的方法，也就是 QThread::postEvent()方法，该方法提供了 Qt 中的一种 Thread-safe 的事件提交过程。提交的事件被放进一个队列中，然后 GUI 主事件线程被唤醒并将此事件发给相应的对象，这个过程与一般的窗口系统事件处理过程是一样的。值得注意的是，当事件处理过程被调用时，是在主事件线程中被调用的，而不是在调用QThread::postEvent 方法的线程中被调用。比如用户可以从一个线程中迫使另一个线程重画指定区域：

QWidget *mywidget;
QThread::postEvent(mywidget, new QPaintEvent(QRect(0,0,100,100)));
                

然而，只有一个线程类是不够的，为编写出支持多线程的程序，还需要实现两个不同的线程对共有数据的互斥访问，因此 Qt 还提供了 QMutex 类，一个线程在访问临界数据时，需要加锁，此时其他线程是无法对该临界数据同时加锁的，直到前一个线程释放该临界数据。通过这种方式才能实现对临界数据的原子操作。

除此之外，还需要一些机制使得处于等待状态的线程在特定情况下被唤醒。QWaitCondition 类就提供了这种功能。当发生特定事件时，QWaitCondition 将唤醒等待该事件的所有线程或者唤醒任意一个被选中的线程。

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3、用户自定义事件在多线程编程中的应用

在 Qt 系统中，定义了很多种类的事件，如定时器事件、鼠标移动事件、键盘事件、窗口控件事件等。通常，事件都来自底层的窗口系统，Qt 的主事件循环函数从系统的事件队列中获取这些事件，并将它们转换为 QEvent，然后传给相应的 QObjects 对象。

除此之外，为了满足用户的需求，Qt 系统还提供了一个 QCustomEvent 类，用于用户自定义事件，这些自定义事件可以利用 QThread::postEvent() 或者QApplication::postEvent() 被发给各种控件或其他 QObject 实例，而 QWidget 类的子类可以通过 QWidget::customEvent() 事件处理函数方便地接收到这些自定义的事件。需要注意的是：QCustomEvent 对象在创建时都带有一个类型标识 id 以定义事件类型，为了避免与 Qt 系统定义的事件类型冲突，该 id 值应该大于枚举类型 QEvent::Type 中给出的 "User" 值。

在下面的例子中，显示了多线程编程中如何利用用户自定义事件类。

UserEvent类是用户自定义的事件类，其事件标识为346798，显然不会与系统定义的事件类型冲突。

class UserEvent : public QCustomEvent   //用户自定义的事件类
{
public:
 UserEvent(QString s) : QCustomEvent(346798), sz(s) { ; }
 QString str() const { return sz; }
private:
 QString sz;    
};
                

UserThread类是由QThread类继承而来的子类，在该类中除了定义有关的变量和线程控制函数外，最主要的是定义线程的启动函数UserThread::run()，在该函数中创建了一个用户自定义事件UserEvent，并利用QThread类的postEvent函数提交该事件给相应的接收对象。

class UserThread : public QThread      //用户定义的线程类
{
public:
 UserThread(QObject *r, QMutex *m, QWaitCondition *c);
QObject *receiver;
}
void UserThread::run()     //线程类启动函数，在该函数中创建了一个用户自定义事件
{UserEvent *re = new UserEvent(resultstring);
   QThread::postEvent(receiver, re); 
}
                

UserWidget类是用户定义的用于接收自定义事件的QWidget类的子类，该类利用slotGo()函数创建了一个新的线程recv（UserThread类），当收到相应的自定义事件（即id为346798）时，利用customEvent函数对事件进行处理。

void UserWidget::slotGo()    //用户定义控件的成员函数
{ mutex.lock();  
 if (! recv)
  recv = new UserThread(this, &mutex, &condition);
 recv->start();
 mutex.unlock();
}
void UserWidget::customEvent(QCustomEvent *e)   //用户自定义事件处理函数
{ if (e->type()==346798) 
 {
  UserEvent *re = (UserEvent *) e;
        newstring = re->str();
    }
}
                

在这个例子中，UserWidget对象中创建了新的线程UserThread，用户可以利用这个线程实现一些周期性的处理（如接收底层发来的消息等），一旦满足特定条件就提交一个用户自定义的事件，当UserWidget对象收到该事件时，可以按需求做出相应的处理，而一般情况下，UserWidget对象可以正常地执行某些例行处理，而完全不受底层消息的影响。

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4、利用定时器机制实现多线程编程

为了避免Qt系统中多线程编程带来的问题，还可以使用系统中提供的定时器机制来实现类似的功能。定时器机制将并发的事件串行化，简化了对并发事件的处理，从而避免了thread-safe方面问题的出现。

在下面的例子中，同时有若干个对象需要接收底层发来的消息（可以通过Socket、FIFO等进程间通信机制），而消息是随机收到的，需要有一个GUI主线程专门负责接收消息。当收到消息时主线程初始化相应对象使之开始处理，同时返回，这样主线程就可以始终更新界面显示并接收外界发来的消息，达到同时对多个对象的控制；另一方面，各个对象在处理完消息后需要通知GUI主线程。对于这个问题，可以利用第3节中的用户自定义事件的方法，在主线程中安装一个事件过滤器，来捕捉从各个对象中发来的自定义事件，然后发出信号调用主线程中的一个槽函数。

另外，也可以利用Qt中的定时器机制实现类似的功能，而又不必担心Thread-safe问题。下面就是有关的代码部分：

在用户定义的Server类中创建和启动了定时器，并利用connect函数将定时器超时与读取设备文件数据相关联：

Server:: Server(QWidget *parent) : QWidget(parent)
{
readTimer = new QTimer(this);   //创建并启动定时器
   connect(readTimer, SIGNAL(timeout()), this, SLOT(slotReadFile()));   //每当定时器超时时调用函数slotReadFile读取文件
   readTimer->start(100);
}
                

slotReadFile函数负责在定时器超时时，从文件中读取数据，然后重新启动定时器：

int Server::slotReadFile()    // 消息读取和处理函数
{
  readTimer->stop();     //暂时停止定时器计时
  ret = read(file, buf );   //读取文件
if(ret == NULL)
{    readTimer->start(100);     //当没有新消息时，重新启动定时器
    return(-1);
}
  else
       根据buf中的内容将消息分发给各个相应的对象处理……；
readTimer->start(100);    //重新启动定时器
}
                

在该程序中，利用了类似轮循的方式定时对用户指定的设备文件进行读取，根据读到的数据内容将信息发送到各个相应的对象。用户可以在自己的GUI主线程中创建一个Server类，帮助实现底层的消息接收过程，而本身仍然可以处理诸如界面显示的问题。当各个对象完成处理后，通过重新启动定时器继续进行周期性读取底层设备文件的过程。当然，这种方法适合于各对象对事件的处理时间较短，而底层设备发来消息的频率又相对较慢的情况。在这种情况下，上述方法完全可以满足用户的需求，而又避免了处理一些与线程并发有关的复杂问题。

当然，利用定时器机制实现多线程编程在某些方面具有一定的局限性，有关到底如何实现多线程编程，如何编写出效率更高的代码，还有待于开发者进一步研究和探讨。

参考资料

（1）Qt官方文档http://doc.trolltech.com/3.2/index.html

（2）Qt源代码:QThread, QCustomEvent,QTimer.

（3）Advanced Programming in the UNIX Environment, W. Richard Stevens.