Qt5.14.2 深入理解Qt多线程编程，掌握线程池架构实现高效并发 ...

在高并发的软件体系中，多线程编程是解决性能瓶颈和提高体系吞吐量的有效手段。作为跨平台的应用程序开发框架，Qt为我们提供了强大的多线程支持。本文将深入探究Qt多线程编程的实现细节，并先容线程池的计划思想，资助读者彻底掌握Qt多线程编程本领。

一、Qt的两种多线程实现方式分析

Qt中实现多线程编程主要有两种方式：重写QThread类的run()函数和使用信号与槽。

1、重写QThread的run()函数

这种方式需要继续QThread类并重写虚函数run()，将需要并发执行的代码逻辑放在run()函数中。例如:

1. class WorkThread : public QThread {
2. public:
3.     void run() override {
4.         //并发执行的代码
5.         qDebug() << "Current thread:" << QThread::currentThreadId();
6.         //执行耗时操作
7.         heavyWorkLoad();
8.     }
9. };

复制代码

在主线程中，我们只需创建WorkThread对象并调用start()即可启动新线程:

1. WorkThread *worker = new WorkThread;
2. worker->start();

复制代码

这种方法的长处是直观简单，缺点是run()函数作为线程执行体只能有一个入口，不太得当处置惩罚多个工作单元并发执行的场景。

2、使用信号与槽方式

Qt的信号与槽机制也可以用于实现多线程编程，它的思绪是:
（1）、创建QThread对象作为新线程
（2）、创建执行体对象，并使用QObject::moveToThread()将其移动到新线程
（3）、在主线程通过连接信号与槽的方式，间接调用执行体对象的槽函数，从而启动新线程中的使命

具体代码如下:

1. //ExecutionBody.h
2. class ExecutionBody : public QObject {
3.     Q_OBJECT
4. public slots:
5.     void execution() {
6.         //并发执行的代码  
7.         qDebug() << "Executing in thread" << QThread::currentThreadId();
8.         heavyWorkLoad();
9.     }
10. };
12. //main.cpp
13. int main() {
14.     QThread *worker = new QThread;
15.     ExecutionBody *body = new ExecutionBody;
16.     body->moveToThread(worker);
17.    
18.     QObject::connect(worker， &QThread::started， body， &ExecutionBody::execution);
19.     worker->start();
20.    
21.     return app.exec();
22. }

复制代码

相比第一种方法，信号与槽方式支持在新线程中执行多个函数，更加灵活。但也相对复杂一些，开发者需要清晰地理解信号连接、变乱循环等概念。

二、突破瓶颈，构建高效线程池

前面先容了Qt的基本多线程实现方式，不外在实际项目中，如果只是简单地启动固定数量的线程，可能会面临以下问题:
（1）、线程的创建和销毁代价较高
（2）、线程数量太多，会加重体系的线程调度开销
（3）、大量线程空转，造成CPU资源浪费
为了解决这些问题，我们需要引入线程池的概念，将闲置的线程资源统一管理和调度，避免频繁创建和销毁线程。Qt提供了QThreadPool类实现了这一机制。

1、QThreadPool计划原理


QThreadPool内部管理了一组工作线程(工作者线程)，当有使命投递时，线程池会将使命分配给空闲的工作线程执行，避免频繁创建和销毁线程。别的，QThreadPool还支持设置活跃线程数上限，在线程全部忙碌时也不会盲目创建新的工作线程，从而避免过分占用体系资源。


QThreadPool采用信号与槽的方式将使命分发给工作线程。具体来说，当我们调用QThreadPool::start()投递使命时，QThreadPool会为使命创建一个QRunnable对象，并通过内部信号连接到某个工作线程，由工作线程执行QRunnable的run()函数。

2、QThreadPool使用示例

下面通过一个简单的例子展示怎样使用QThreadPool:

1. //WorkerTask.h
2. class WorkerTask : public QRunnable {
3. public:
4.     void run() override {
5.         //执行任务逻辑
6.         qDebug() << "Executing task in thread" << QThread::currentThreadId();
7.         heavyWorkLoad();
8.     }
9. };
11. //main.cpp
12. int main() {
13.     QThreadPool *pool = QThreadPool::globalInstance();
14.    
15.     //设置最大线程数
16.     pool->setMaxThreadCount(QThread::idealThreadCount());
17.    
18.     //投递任务
19.     for(int i=0; i<200; ++i) {  
20.         WorkerTask *task = new WorkerTask;
21.         pool->start(task);
22.     }
24.     return app.exec();
25. }

复制代码

这个示例起首获取全局QThreadPool实例，并设置最大工作线程数为当前体系的理想线程数(通常为CPU核心数)。然后循环构建WorkerTask对象并调用QThreadPool::start()投递，线程池会主动将使命分发给空闲的线程执行。


需要注意的是，QThreadPool默认采用栈内存管理QRunnable对象，也就是说在QRunnable的run()函数执行完毕后，QThreadPool会主动销毁对象。如果我们需要在run()函数执行完毕后继续访问QRunnable对象的数据成员，应该设置QThreadPool的stackSize属性(即将对象放在堆内存分配)。

三、多线程开发中的注意事项

尽管QThreadPool大大简化了多线程编程流程，但在实际开发中，我们仍需注意一些埋伏的安全隐患和性能风险:


1、线程间数据访问安全

当多个线程并发访问同一份数据时，很轻易出现竞态条件。Qt提供了QMutex、QSemaphore、QReadWriteLock等同步原语类，我们可以使用它们来保护线程间共享数据的完整性。


别的，Qt还提供了QAtomicInteger和QAtomicPointer等原子操纵类，可以大概确保底子数据类型的读写操纵的原子性。对于简单的计数、状态位的读写，使用原子操纵类可以避免加锁开销。

2、使命队列控制战略

使用QThreadPool虽然能避免频繁创建销毁线程，但如果使命投递过多且执行时间过长，使命队列会一连积压，可能导致相应延迟或内存占用過高。
因此，我们需要对使命队列的长度作出合理控制。QThreadPool提供了两个相干的API:

• QThreadPool::reserveThread()可以为高优先级使命预留线程资源
  
• QThreadPool::setMaxThreadCount()可以动态调整线程池的最大线程数
  

我们可以在投递使命前检查当前队列长度，对于优先级较高的使命使用reserveThread()保留资源，对于优先级较低的使命可以选择延迟投递或动态增加线程池大小。

3、避免死锁

在多线程编程中，如果多个线程互相持有对方所需要的锁资源，就会发存亡锁。例如下面的代码:

1. QMutex mutex1， mutex2;
3. //线程1
4. mutex1.lock();
5. ...
6. mutex2.lock(); //阻塞
8. //线程2  
9. mutex2.lock();
10. ...
11. mutex1.lock(); //阻塞

复制代码

避免死锁的一个常用战略是:对全部需要加锁的代码采用统一的加锁顺序，每个线程按相同顺序申请锁。

4、镌汰线程切换开销

线程切换是一个非常耗时的操纵，会带来较大的性能开销。我们应该只管镌汰线程切换的发生，例如:

• 将密集计算的代码块集中在一个或几个线程中，避免在多个线程间切换
  
• 避免线程中的循环中壅闭操纵(如休眠、加锁等)，这会使该线程长时间占用CPU
  
• 采用无锁编程，使用原子操纵和内存屏障指令实现线程安全操纵
  

通过本文的先容，希望你可以大概加深对Qt多线程编程的理解，在实际开发中合理使用多线程，提高应用程序的整体性能。下一篇文章将为你带来更多实战案例，进一步展示Qt多线程编程的实践本领。



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