Qt 程序和線程：線程同步、可重入與線程安全

一、同步線程方法

使用線程的目的是允許代碼并行運作，但是有時線程必須停止并等待其他線程。例如，如果兩個線程試圖同時寫入相同的變量，結果是不确定的，是以需要同步線程。同步線程是一種保護共享資源等資料的常見的技術。迫使線程等待另一個的原則被稱為互斥 。

Qt 中的 QMutex、QReadWriteLock、QSemaphore 和 QWaitCondition 類提供了同步線程的方法。

• QMutex提供了一個互斥鎖（mutex），在任何時間至多有一個線程可以獲得mu­tex。 如果一個線程嘗試獲得 mutex，而此時 mutex 已經被鎖住了 ，這個線程将會睡眠， 直到現在獲得mutex的線程對mutex進行解鎖為止。互斥鎖經常用于對共享資料（例如，可以同時被多個線程通路的資料）的通路進行保護。
• QReadWriteLock即讀-寫鎖，與QMutex很相似，隻不過它将對共享資料的通路區分為“讀”通路和“寫”通路，允許多個線程同時對資料進行“讀”通路。在可能的情況下使用QReadWriteLock代替QMutex，可以提高多線程程式的并發度。
• QSemaphore即信号量，是QMutex的一般化，用來保護一定數量的相同的資源，而互斥鎖mutex隻能保護一個資源。Qt之線程同步（生産者消費者模式 - QSemaphore） 提供了一個典型的案例，信号量：在“生産者 - 消費者”之間同步通路循環緩沖區。
• QWaitCondition即條件變量，允許一個線程在一些條件滿足時喚醒其他的線程。一個或者多個線程可以被阻塞來等待一個QWaitCondition來設定一個用于wakeOne()或者wakeAll()的條件。使用wakeOneO可以喚醒一個随機選取的等待線程，而使 用wakeAll()可以喚醒所有正在等待的線程。

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二、可重入與線程安全

這裡的術語“可重入性”和“線程安全”被用來标記類與函數，以表明它們如何被應用在多線程應用程式中。

• 一個線程安全的函數可以同時被多個線程調用，甚至調用者會使用共享資料也沒有問題，因為對共享資料的通路是串行的。
• 一個可重入函數也可以同時被多個線程調用，但是每個調用者隻能使用自己的資料。

是以，一個線程安全的函數總是可重入的，但一個可重入的函數并不一定是線程安全的。擴充開來，一個可重入的類，指的是它的成員函數可以被多個線程安全地調用，隻要每個線程使用這個類的不同的對象。而一個線程安全的類，指的是它的成員函數能夠被多線程安全地調用，即使所有的線程都使用該類的同一個執行個體也沒有關系。

注意： Qt的一些類被設計為線程安全的，如果它們的目的是多線程。如果一個函數沒有被标記為線程安全的或可重入的，它就不應該被不同的線程使用。如果一個類沒有被标記為線程安全的或可重入的，該類的執行個體就不應該被多個線程通路。

可重入性

C++的類往往是可重入的，這隻是因為它們隻能通路自己的資料。任何線程都能通路一個可重入類執行個體的一個成員函數，隻要同一時間沒有其它線程調用該執行個體的成員函數。例如，下面的Counter類就是可重入的：

class Counter
{
public:
    Counter() { n = 0; }

    void increment() { ++n; }
    void decrement() { --n; }
    int value() const { return n; }

private:
    int n;
};
           

該類不是線程安全的，因為如果多個線程試圖修改資料成員n，則結果是不确定的。這是因為++和–操作都不總是原子性的。事實上，它們一般被展開為3條機器指令：

1. 将變量值裝入寄存器
2. 增加或減少寄存器中的值
3. 将寄存器中的值寫回記憶體

如果線程A和線程B同時将變量的舊值裝入寄存器，增加寄存器中的值，再寫回記憶體，它們最終會互相覆寫，導緻變量值僅增加了一次！

線程安全

顯然，通路應該是串行的： 線程A必須在無中斷的情況下執行完1.2.3.三個步驟（原子性），然後線程B才能開始執行，反之亦然。一個使類是線程安全的簡單方法就是用一個QMutex來保護資料成員的所有通路。

class Counter
{
public:
    Counter() { n = 0; }

    void increment() { QMutexLocker locker(&mutex); ++n; }
    void decrement() { QMutexLocker locker(&mutex); --n; }
    int value() const { QMutexLocker locker(&mutex); return n; }

private:
    mutable QMutex mutex;
    int n;
};
           

QMutexLocker類在其構造函數中自動鎖定mutex，并且當析構函數被調用時解鎖。鎖定mutex保證了其它線程的通路都将是串行化的。mutex資料成員被聲明為mutable的，這是因為value()是一個const函數，我們需要在其中lock和unlock該mutex。

Qt類的注意事項

許多Qt的類都是可重入的，但不是線程安全的，因為線程安全意味着為鎖定與解鎖一個QMutex增加額外的開銷。例如：QString是可重入的，但不是線程安全的。你能夠同時從多個線程通路不同的QString的執行個體，但不能同時從多個線程通路QString的同一個執行個體（除非用QMutex保護通路）。

有些Qt的類和函數是線程安全的。它們主要是線程相關類（例如：QMutex）和一些基本函數（例如： QCoreApplication::postEvent()）。

文章轉自部落格園（fengMisaka）：Qt 程序和線程之三：線程同步、可重入與線程安全 - fengMisaka - 部落格園

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