20-第五章 Qt程序设计4-多线程

——基于Qt(Windows)版医用仪器软件设计MedicalInstrumentSoftwareDesign2022第5章Qt程序设计3-——BasedonQt(WindowsEdition)多线程关于这节课Aboutthiscourse.“One

在Qt程序设计的过程中，有4个非常重要的概念需要熟练掌握，分别为布局管理器，信号与槽，模态、半模态和非模态对话框，以及多线程，本章将详细介绍这4个概念。目录实验内容实验原理实验步骤本节任务实验内容

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。本节将介绍多线程的优点和创建方法，然后介绍线程同步的概念，最后通过实验设计一个多线程的程序。实验原理

一个应用程序通常只有一个线程，称为主线程。线程内的操作是按顺序执行的，如果在主线程中执行一些耗时的操作（如加载图片、大型文件读取、文件传输和密集计算等），就会阻塞主线程，从而导致用户界面失去响应。在这种情况下，单一线程就无法适应应用程序的需求。可以再创建一个单独的线程，将耗时的操作转移到新建的线程中执行，并处理好该线程与主线程之间的同步与数据交互即可避免上述问题，这就是多线程应用程序。1.什么是多线程线程A线程B任务1任务2任务3任务4任务52.多线程的特点相比于单线程，多线程具有以下特点。（1）可提高应用程序的响应速度。在多线程下，可将一些耗时的操作置于一个单独的线程，使用户界面一直处于活动状态，避免因主线程阻塞而失去响应。（2）可提高多处理器系统的CPU利用率。当线程数小于CPU数目时，操作系统会合理分配各个线程使其分别在不同的CPU上运行。（3）改善程序结构。可将一些代码量庞大的复杂线程分为多个独立或半独立的执行部分，既可以增加代码的可读性，也有利于代码的维护。（4）可以分别设置各个任务的优先级以优化性能。（5）等候使用共享资源时会造成程序的运行速度变慢。这些共享资源主要是独占性的资源，如打印机等。（6）管理多个线程需要额外的CPU开销。多线程的使用会给系统带来上下文切换的额外负担（上下文切换是指内核在CPU上对进程或线程进行切换）。（7）容易造成线程的死锁。（8）同时读写公有变量容易造成脏读（读出无效数据）。3.如何使用多线程

Qt提供了对多线程操作的支持，包括一套独立于平台的线程类库、一个线程安全的事件发送途径，及可跨线程使用的信号与槽。此外，还提供了用于线程之间通信与同步的若干机制，使得基于Qt的多线程应用程序开发变得灵活简单。

Qt中的QThread类提供了管理线程的方法，是实现多线程的核心类。一个QThread类的对象管理一个线程，该线程可以与应用程序中的其他线程分享数据，但是是独立运行的。

创建一个新线程的方法为：自定义一个继承自QThread的类，并重写run()方法，在run()方法中添加该线程需要完成的任务，然后在主线程中创建一个上述自定义类的对象并实例化，最后调用QThread::start()方法开始新线程。

相比于一般的程序都是从main()函数开始执行的，QThread是从run()方法开始执行的，start()方法默认调用run()方法。QThread会在线程启动、结束和终止时分别发出started()、finished()和terminated()信号。可以用isRunning()和isFinished()来查询线程的状态，还可以使用wait()来阻塞线程，直到线程结束。run()通过调用exec()方法来开启事件循环，并在线程内运行一个Qt事件循环，可以使用quit()退出事件循环。当从run()方法返回后，线程便执行结束。应用程序主程序fun1()fun2()…子程序继承QThreadrun()4.线程同步

线程同步主要是为了协调各个线程之间的工作，以便更好地完成一些任务。虽然多线程的思想是多个线程尽可能多地并发执行，但有时候有些线程需要暂停等待其他线程，如两个线程同时访问同一个全局变量，如果没有线程同步，读出的结果通常是不确定的。

Qt中提供了丰富的类用于进行线程同步，常用的有QMutex、QReadWriteLock、QSemaphore和QWaitCondition。（1）QMutex

QMutex是基于互斥量的线程同步类，可以确保多个线程对同一资源的顺序访问。使用QMutex定义一个互斥量mutex，通过mutex.lock()和mutex.unlock()分别锁定和解锁互斥量，则处于mutex.lock()和mutex.unlock()之间的代码为保护状态，同一时间最多只能有一个线程访问此段代码。当一个线程锁定互斥量后，若另一个线程也尝试调用lock()来锁定这个互斥量，则不但无法成功锁定，反而会阻塞执行直到前一个线程解锁互斥量。通过调用tryLock()方法也可以锁定互斥量，但与lock()不同的是，如果成功锁定就返回true；如果其他线程已经锁定这个互斥量则返回false，但不会阻塞线程执行。（1）QMutex

QMutex是基于互斥量的线程同步类，可以确保多个线程对同一资源的顺序访问。使用QMutex定义一个互斥量mutex，通过mutex.lock()和mutex.unlock()分别锁定和解锁互斥量，则处于mutex.lock()和mutex.unlock()之间的代码为保护状态，同一时间最多只能有一个线程访问此段代码。当一个线程锁定互斥量后，若另一个线程也尝试调用lock()来锁定这个互斥量，则不但无法成功锁定，反而会阻塞执行直到前一个线程解锁互斥量。通过调用tryLock()方法也可以锁定互斥量，但与lock()不同的是，如果成功锁定就返回true；如果其他线程已经锁定这个互斥量则返回false，但不会阻塞线程执行。例：同时在两个线程分别调用方法1，方法2方法1方法2输出结果：ABCABCDEFDEF输出结果：ABCDEFABCDEF（2）QReadWriteRead

使用互斥量在提升线程安全性的同时也有弊端：若程序中有多个线程仅需读取某一公有变量，如果使用互斥量则必须排队访问，这样就会降低程序的性能，使用QReadWriteRead类可以避免上述问题。QReadWriteRead以读锁定或写锁定的方式保护一段代码，允许多个线程以只读的形式访问公有资源。常用方法有lockForRead()、lockForWrite()、unlock()、tryLockForRead()和tryLockForWrite()。例：右图为Qt读写锁的演示及验证，在下图中可以看出两个读取数据的函数会一起调用（代表读写锁支持读取锁线程一起运行），且数据操函数并不会调用；而当数据操作函数调用时，两个数据读取函数也不会调用。由此可知，当读取锁开启时，写入锁不能进入，反之亦然。（3）QSemaphore

QSemaphore为基于信号量的线程同步类，即对互斥量功能的扩展。使用互斥量只能保护一个资源，信号量可以保护多个资源。QSemaphore的构造方法可以指定一个参数，即为当前可用资源的个数，默认为0。QSemaphore提供了acquire()和release()方法来获取和释放资源。（4）QWaitCondition

QWaitCondition允许一个线程在满足特定条件后，通知或唤醒其他多个线程。唤醒方式是通过wakeOne()和wakeAll()方法，前者唤醒一个处于等待状态的线程，后者唤醒所有处