QT不同平臺對線程如何支持和實現

Qt作為一種基于 C++ 的跨平臺 GUI 系統，能夠提供給用戶構造圖形用戶界面的強大功能。為了滿足用戶構造復雜圖形界面系統的需求，Qt提供了豐富的多線程編程支持。從 2.2 版本開始，Qt主要從下面三個方面對多線程編程提供支持：一、構造了一些基本的與平臺無關的線程類；二、提交用戶自定義事件的 Thread-safe方式；三、多種線程間同步機制，如信號量，全局鎖。這些都給用戶提供了極大的方便。不過，在某些情況下，使用定時器機制能夠比利用 Qt本身的多線程機制更方便地實現所需要的功能，同時也避免了不安全的現象發生。本文不僅對 Qt中的多線程支持機制進行了討論，還著重探討了利用定時器機制模擬多線程編程的方法。 
1、系統對多線程編程的支持
不同的平臺對 Qt 的多線程支持方式是不同的。當用戶在 Windows 操作系統上安裝 Qt 系統時，線程支持是編譯器的一個選項，在 Qt 的 mkfiles 子目錄中包括了不同種類編譯器的編譯文件，其中帶有 -mt 后綴的文件才是支持多線程的。
而在 Unix 操作系統中，線程的支持是通過在運行 configure 腳本文件時添加 -thread選項加入的。安裝過程將創建一個獨立的庫，即libqt-mt，因此要支持多線程編程時，必須與該庫鏈接（鏈接選項為-lqt-mt），而不是與通常的 Qt 庫（-lqt）鏈接。
另外，無論是何種平臺，在增加線程支持時都需要定義宏QT_THREAD_SUPPORT（即增加編譯選項-DQT_THREAD_SUPPORT）。在 Windows 操作系統中，這一點通常是在qconfig.h 文件中增加一個選項來實現的。而在 Unix 系統中通常添加在有關的 Makefile 文件中。
2、Qt中的線程類
在Qt 系統中與線程相關的最重要的類當然是 QThread 類，該類提供了創建一個新線程以及控制線程運行的各種方法。線程是通過QThread::run() 重載函數開始執行的，這一點很象 Java 語言中的線程類。在 Qt 系統中，始終運行著一個GUI主事件線程，這個主線程從窗口系統中獲取事件，并將它們分發到各個組件去處理。在 QThread類中還有一種從非主事件線程中將事件提交給一個對象的方法，也就是 QThread::postEvent()方法，該方法提供了 Qt 中的一種Thread-safe 的事件提交過程。提交的事件被放進一個隊列中，然后 GUI主事件線程被喚醒并將此事件發給相應的對象，這個過程與一般的窗口系統事件處理過程是一樣的。值得注意的是，當事件處理過程被調用時，是在主事件線程中被調用的，而不是在調用QThread::postEvent 方法的線程中被調用。比如用戶可以從一個線程中迫使另一個線程重畫指定區域：
QWidget *mywidget;
QThread::postEvent(mywidget, new QPaintEvent(QRect(0,0,100,100)));
                
然而，只有一個線程類是不夠的，為編寫出支持多線程的程序，還需要實現兩個不同的線程對共有數據的互斥訪問，因此 Qt 還提供了 QMutex類，一個線程在訪問臨界數據時，需要加鎖，此時其他線程是無法對該臨界數據同時加鎖的，直到前一個線程釋放該臨界數據。通過這種方式才能實現對臨界數據的原子操作。
除此之外，還需要一些機制使得處于等待狀態的線程在特定情況下被喚醒。QWaitCondition 類就提供了這種功能。當發生特定事件時，QWaitCondition 將喚醒等待該事件的所有線程或者喚醒任意一個被選中的線程。
3、用戶自定義事件在多線程編程中的應用
在 Qt 系統中，定義了很多種類的事件，如定時器事件、鼠標移動事件、鍵盤事件、窗口控件事件等。通常，事件都來自底層的窗口系統，Qt 的主事件循環函數從系統的事件隊列中獲取這些事件，并將它們轉換為 QEvent，然后傳給相應的 QObjects 對象。
除此之外，為了滿足用戶的需求，Qt 系統還提供了一個 QCustomEvent 類，用于用戶自定義事件，這些自定義事件可以利用QThread::postEvent() 或者QApplication::postEvent() 被發給各種控件或其他 QObject實例，而 QWidget 類的子類可以通過 QWidget::customEvent()事件處理函數方便地接收到這些自定義的事件。需要注意的是：QCustomEvent 對象在創建時都帶有一個類型標識 id以定義事件類型，為了避免與 Qt 系統定義的事件類型沖突，該 id 值應該大于枚舉類型 QEvent::Type 中給出的 "User" 值。
在下面的例子中，顯示了多線程編程中如何利用用戶自定義事件類。
UserEvent類是用戶自定義的事件類，其事件標識為3467Array8，顯然不會與系統定義的事件類型沖突。
class UserEvent : public QCustomEvent   //用戶自定義的事件類
{
public:
UserEvent(QString s) : QCustomEvent(3467Array8), sz(s) { ; }
QString str() const { return sz; }
private:
QString sz;    
};
                
UserThread類是由QThread類繼承而來的子類，在該類中除了定義有關的變量和線程控制函數外，最主要的是定義線程的啟動函數UserThread::run()，在該函數中創建了一個用戶自定義事件UserEvent，并利用QThread類的postEvent函數提交該事件給相應的接收對象。
class UserThread : public QThread      //用戶定義的線程類
{
public:
UserThread(QObject *r, QMutex *m, QWaitCondition *c);
QObject *receiver;
}
void UserThread::run()     //線程類啟動函數，在該函數中創建了一個用戶自定義事件
{UserEvent *re = new UserEvent(resultstring);
   QThread::postEvent(receiver, re); 
}
                
UserWidget類是用戶定義的用于接收自定義事件的QWidget類的子類，該類利用slotGo()函數創建了一個新的線程recv（UserThread類），當收到相應的自定義事件（即id為3467Array8）時，利用customEvent函數對事件進行處理。
void UserWidget::slotGo()    //用戶定義控件的成員函數
{ mutex.lock();  
if (! recv)
  recv = new UserThread(this, &mutex, &condition);
recv->start();
mutex.unlock();
}
void UserWidget::customEvent(QCustomEvent *e)   //用戶自定義事件處理函數
{ if (e->type()==3467Array8) 
{
  UserEvent *re = (UserEvent *) e;
        newstring = re->str();
    }
}
                
在這個例子中，UserWidget對象中創建了新的線程UserThread，用戶可以利用這個線程實現一些周期性的處理（如接收底層發來的消息等），一旦滿足特定條件就提交一個用戶自定義的事件，當UserWidget對象收到該事件時，可以按需求做出相應的處理，而一般情況下，UserWidget對象可以正常地執行某些例行處理，而完全不受底層消息的影響。
4、利用定時器機制實現多線程編程
為了避免Qt系統中多線程編程帶來的問題，還可以使用系統中提供的定時器機制來實現類似的功能。定時器機制將并發的事件串行化，簡化了對并發事件的處理，從而避免了thread-safe方面問題的出現。
在下面的例子中，同時有若干個對象需要接收底層發來的消息（可以通過Socket、FIFO等進程間通信機制），而消息是隨機收到的，需要有一個GUI主線程專門負責接收消息。當收到消息時主線程初始化相應對象使之開始處理，同時返回，這樣主線程就可以始終更新界面顯示并接收外界發來的消息，達到同時對多個對象的控制；另一方面，各個對象在處理完消息后需要通知GUI主線程。對于這個問題，可以利用第3節中的用戶自定義事件的方法，在主線程中安裝一個事件過濾器，來捕捉從各個對象中發來的自定義事件，然后發出信號調用主線程中的一個槽函數。
另外，也可以利用Qt中的定時器機制實現類似的功能，而又不必擔心Thread-safe問題。下面就是有關的代碼部分：
在用戶定義的Server類中創建和啟動了定時器，并利用connect函數將定時器超時與讀取設備文件數據相關聯：
Server:: Server(QWidget *parent) : QWidget(parent)
{
readTimer = new QTimer(this);   //創建并啟動定時器
   connect(readTimer, SIGNAL(timeout()), this, SLOT(slotReadFile()));   //每當定時器超時時調用函數slotReadFile讀取文件
   readTimer->start(100);
}
                
slotReadFile函數負責在定時器超時時，從文件中讀取數據，然后重新啟動定時器：
int Server::slotReadFile()    // 消息讀取和處理函數
{
  readTimer->stop();     //暫時停止定時器計時
  ret = read(file, buf );   //讀取文件
if(ret == NULL)
{    readTimer->start(100);     //當沒有新消息時，重新啟動定時器
    return(-1);
}
  else
       根據buf中的內容將消息分發給各個相應的對象處理……；
readTimer->start(100);    //重新啟動定時器
}
                
在該程序中，利用了類似輪循的方式定時對用戶指定的設備文件進行讀取，根據讀到的數據內容將信息發送到各個相應的對象。用戶可以在自己的GUI主線程中創建一個Server類，幫助實現底層的消息接收過程，而本身仍然可以處理諸如界面顯示的問題。當各個對象完成處理后，通過重新啟動定時器繼續進行周期性讀取底層設備文件的過程。當然，這種方法適合于各對象對事件的處理時間較短，而底層設備發來消息的頻率又相對較慢的情況。在這種情況下，上述方法完全可以滿足用戶的需求，而又避免了處理一些與線程并發有關的復雜問題。
當然，利用定時器機制實現多線程編程在某些方面具有一定的局限性，有關到底如何實現多線程編程，如何編寫出效率更高的代碼，還有待于開發者進一步研究和探討。
參考資料 
（1）Qt官方文檔 
http://doc.trolltech.com/3.2/index.html