一文详解Qt中线程的实际应用

2023-03-10 11:03:08 线程 实际应用 一文

为了让程序尽快响应用户操作,在开发应用程序时经常会使用到线程。对于耗时操作如果不使用线程,UI界面将会长时间处于停滞状态,这种情况是用户非常不愿意看到的,我们可以用线程来解决这个问题。

大多数情况下,多线程耗时操作会与UI进行交互,比如:显示进度、加载等待。。。让用户明确知道目前的状态,并对结果有一个直观的预期,甚至有趣巧妙的设计,能让用户爱上等待,把等待看成一件很美好的事。

1、多线程操作UI界面的示例

下面,是一个使用多线程操作UI界面的示例 - 更新进度条,采用子类化Qthread的方式。与此同时,分享在此过程中有可能遇到的问题及解决方法。

首先创建QtGui应用,工程名称为“myThreadBar”,类名选择“QMainWindow”,其他选项保持默认即可。再添加一个名称为WorkerThread的头文件,定义一个WorkerThread类,让其继承自QThread,并重写run()函数,修改workerthread.h文件如下:

#ifndef WORKERTHREAD_H
#define WORKERTHREAD_H
 
#include <QThread>
#include <QDebug>
 
class WorkerThread : public QThread
{
    Q_OBJECT
 
public:
    explicit WorkerThread(QObject *parent = 0)
        : QThread(parent)
    {
        qDebug() << "Worker Thread : " << QThread::currentThreadId();
    }
 
protected:
    virtual void run() Q_DECL_OVERRIDE
    {
        qDebug() << "Worker Run Thread : " << QThread::currentThreadId();
        int nValue = 0;
        while (nValue < 100)
        {
            // 休眠50毫秒
            msleep(50);
            ++nValue;
 
            // 准备更新
            emit resultReady(nValue);
        }
    }
 
signals:
    void resultReady(int value);
};
 
#endif // WORKERTHREAD_H

通过在run()函数中调用msleep(50),线程会每隔50毫秒让当前的进度值加1,然后发射一个resultReady()信号,其余时间什么都不做。在这段空闲时间,线程不占用任何的系统资源。当休眠时间结束,线程就会获得CPU时钟,将继续执行它的指令。

再在mainwindow.ui上添加一个按钮和进度条部件,然后mainwindow.h修改如下:

#ifndef MAINWINDOW_H
#define MAINWINDOW_H
 
#include <QMainWindow>
#include "workerthread.h"
 
namespace Ui {
class MainWindow;
}
 
class MainWindow : public QMainWindow
{
    Q_OBJECT
 
public:
    explicit MainWindow(QWidget *parent = nullptr);
    ~MainWindow();
 
private slots:
    // 更新进度
    void handleResults(int value);
 
    // 开启线程
    void startThread();
 
private:
    Ui::MainWindow *ui;
 
    WorkerThread m_workerThread;
};
 
#endif // MAINWINDOW_H

然后mainwindow.cpp修改如下:

#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"
 
MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) :
    QMainWindow(parent),
    ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);
        
    qDebug() << "Main Thread : " << QThread::currentThreadId();        
 
    // 连接信号槽
    this->connect(ui->pushButton, SIGNAL(clicked(bool)), this, SLOT(startThread()));
}
 
MainWindow::~MainWindow()
{
    delete ui;
}
 
void MainWindow::handleResults(int value)
{
    qDebug() << "Handle Thread : " << QThread::currentThreadId();
    ui->progressBar->setValue(value);
}
 
void MainWindow::startThread()
{
    WorkerThread *workerThread = new WorkerThread(this);
    this->connect(workerThread, SIGNAL(resultReady(int)), this, SLOT(handleResults(int)));
    // 线程结束后,自动销毁
    this->connect(workerThread, SIGNAL(finished()), workerThread, SLOT(deleteLater()));
    workerThread->start();
}

由于信号与槽连接类型默认为“Qt::AutoConnection”,在这里相当于“Qt::QueuedConnection”。也就是说,槽函数在接收者的线程(主线程)中执行。

执行程序,“应用程序输出”窗口输出如下:

Main Thread :  0x3140
Worker Thread :  0x3140
Worker Run Thread :  0x2588
Handle Thread :  0x3140

显然,UI界面、Worker构造函数、槽函数处于同一线程(主线程),而run()函数处于另一线程(次线程)。

2、避免多次connect

当多次点击“开始”按钮的时候,就会多次connect(),从而启动多个线程,同时更新进度条。为了避免这个问题,我们先在mainwindow.h上添加私有成员变量"WorkerThread m_workerThread;",然后修改mainwindow.cpp如下:

#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"
 
MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) :
    QMainWindow(parent),
    ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);
 
    // 连接信号槽
    this->connect(ui->pushButton, SIGNAL(clicked(bool)), this, SLOT(startThread()));
 
    this->connect(&m_workerThread, SIGNAL(resultReady(int)), this, SLOT(handleResults(int)));
}
 
MainWindow::~MainWindow()
{
    delete ui;
}
 
void MainWindow::handleResults(int value)
{
    qDebug() << "Handle Thread : " << QThread::currentThreadId();
    ui->progressBar->setValue(value);
}
 
void MainWindow::startThread()
{
    if (!m_workerThread.isRunning())
        m_workerThread.start();
}

不再在startThread()函数内创建WorkerThread对象指针,而是定义私有成员变量,再将connect添加在构造函数中,保证了信号槽的正常连接。在线程start()之前,可以使用isFinished()和isRunning()来查询线程的状态,判断线程是否正在运行,以确保线程的正常启动。

3、优雅地结束线程的两种方法

如果一个线程运行完成,就会结束。可很多情况并非这么简单,由于某种特殊原因,当线程还未执行完时,我们就想中止它。

不恰当的中止往往会引起一些未知错误。比如:当关闭主界面的时候,很有可能次线程正在运行,这时,就会出现如下提示:

QThread: Destroyed while thread is still running

这是因为次线程还在运行,就结束了UI主线程,导致事件循环结束。这个问题在使用线程的过程中经常遇到,尤其是耗时操作。大多数情况下,当程序退出时,次线程也许会正常退出。这时,虽然抱着侥幸心理,但隐患依然存在,也许在极少数情况下,就会出现Crash。

所以,我们应该采取合理的措施来优雅地结束线程,一般思路:

  • 发起线程退出操作,调用quit()或exit()。
  • 等待线程完全停止,删除创建在堆上的对象。
  • 适当的使用wait()(用于等待线程的退出)和合理的算法

方法一

这种方式是Qt4.x中比较常用的,主要是利用“QMutex互斥 + bool成员变量”的方式来保证共享数据的安全性。在workerthread.h上继续添加互斥锁、析构函数和stop()函数,修改如下:

#ifndef WORKERTHREAD_H
#define WORKERTHREAD_H
 
#include <QThread>
#include <QMutexLocker>
#include <QDebug>
 
class WorkerThread : public QThread
{
    Q_OBJECT
 
public:
    explicit WorkerThread(QObject *parent = 0)
        : QThread(parent),
          m_bStopped(false)
    {
        qDebug() << "Worker Thread : " << QThread::currentThreadId();
    }
 
    ~WorkerThread()
    {
        stop();
        quit();
        wait();
    }
 
    void stop()
    {
        qDebug() << "Worker Stop Thread : " << QThread::currentThreadId();
        QMutexLocker locker(&m_mutex);
        m_bStopped = true;
    }
 
protected:
    virtual void run() Q_DECL_OVERRIDE 
    {
        qDebug() << "Worker Run Thread : " << QThread::currentThreadId();
        int nValue = 0;
        while (nValue < 100)
        {
            // 休眠50毫秒
            msleep(50);
            ++nValue;
 
            // 准备更新
            emit resultReady(nValue);
 
            // 检测是否停止
            {
                QMutexLocker locker(&m_mutex);
                if (m_bStopped)
                    break;
            }
            // locker超出范围并释放互斥锁
        }
    }
    
signals:
    void resultReady(int value);
 
private:
    bool m_bStopped;
    QMutex m_mutex;
};
 
#endif // WORKERTHREAD_H

当主窗口被关闭,其“子对象”WorkerThread也会析构调用stop()函数,使m_bStopped变为true,则break跳出循环结束run()函数,结束进程。当主线程调用stop()更新m_bStopped的时候,run()函数也极有可能正在访问它(这时,他们处于不同的线程),所以存在资源竞争,因此需要加锁,保证共享数据的安全性。

为什么要加锁?

很简单,是为了共享数据段操作的互斥。避免形成资源竞争的情况(多个线程有可能访问同一共享资源的情况)。

方法二

Qt5以后,可以使用requestInterruption()、isInterruptionRequested()这两个函数,使用很方便,修改workerthread.h文件如下:

#ifndef WORKERTHREAD_H
#define WORKERTHREAD_H
 
#include <QThread>
#include <QMutexLocker>
#include <QDebug>
 
class WorkerThread : public QThread
{
    Q_OBJECT
 
public:
    explicit WorkerThread(QObject *parent = nullptr)
        : QThread(parent)
    {
        qDebug() << "Worker Thread : " << QThread::currentThreadId();
    }
 
    ~WorkerThread()
    {
        // 请求终止
        requestInterruption();
        quit();
        wait();
    }
 
protected:
    virtual void run() Q_DECL_OVERRIDE
    {
        qDebug() << "Worker Run Thread : " << QThread::currentThreadId();
        int nValue = 0;
 
        // 是否请求终止
        while (!isInterruptionRequested())
        {
            while (nValue < 100)
            {
                // 休眠50毫秒
                msleep(50);
                ++nValue;
 
                // 准备更新
                emit resultReady(nValue);
            }
        }
 
    }
signals:
    void resultReady(int value);
};
 
#endif // WORKERTHREAD_H

在耗时操作中使用isInterruptionRequested()来判断是否请求终止线程,如果没有,则一直运行;当希望终止线程的时候,调用requestInterruption()即可。这两个函数内部也使用了互斥锁QMutex。

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