第七根弦的技术博客

可重入与线程安全

在Qt文档中，术语“可重入 ”与“线程安全 ”被用来说明一个函数如何用于多线程程序。假如一个类的任何函数在此类的多个不同的实例上，可以被多个线程同时调用，那么这个类被称为是“可重入”的。假如不同的线程作用在同一个实例上仍可以正常工作，那么称之为“线程安全”的。

大多数c++类天生就是可重入的，因为它们典型地仅仅引用成员数据。任何线程可以在类的一个实例上调用这样的成员函数，只要没有别的线程在同一个实例上调用这个成员函数。举例来讲，下面的Counter 类是可重入的：

这个类不是线程安全的，因为假如多个线程都试图修改数据成员 n,结果未定义。这是因为c++中的++和–操作符不是原子操作。实际上，它们会被扩展为三个机器指令：
1，把变量值装入寄存器
2，增加或减少寄存器中的值
3，把寄存器中的值写回内存
假如线程A与B同时装载变量的旧值，在寄存器中增值，回写。他们写操作重叠了，导致变量值仅增加了一次。很明显，访问应该串行化：A执行123步骤时不应被打断。使这个类成为线程安全的最简单方法是使用QMutex 来保护数据成员：

QMutexLocker类在构造函数中自动对mutex进行加锁，在析构函数中进行解锁。随便一提的是，mutex使用了mutable 关键字来修饰，因为我们在value()函数中对mutex进行加锁与解锁操作，而value ()是一个const 函数。
大多数Qt类是可重入，非线程安全的。有一些类与函数是线程安全的，它们主要是线程相关的类，如QMutex,QCoreApplication::postEvent ()。

线程与QObjects

QThread 继承自QObject,它发射信号以指示线程执行开始与结束，而且也提供了许多slots。更有趣的是，QObjects可以用于多线程，这是因为每个线程被允许有它自己的事件循环。
QObject 可重入性
QObject 是可重入的。它的大多数非GUI子类，像QTimer ,QTcpSocket ,QUdpSocket ,QHttp ,QFtp ,QProcess 也是可重入的，在多个线程中同时使用这些类是可能的。需要注意的是，这些类被设计成在一个单线程中创建与使用，因此，在一个线程中创建一个对象，而在另外的线程中调用它的函数，这样的行为不能保证工作良好。有三种约束需要注意：
1，QObject的孩子总是应该在它父亲被创建的那个线程中创建 。这意味着，你绝不应该传递QThread对象作为另一个对象的父亲(因为QThread对象本身会在另一个线程中被创建)
2,事件驱动对象仅仅在单线程中使用 。明确地说，这个规则适用于”定时器机制“与”网格模块“，举例来讲，你不应该在一个线程中开始一个定时器或是连接一个套接字，当这个线程不是这些对象所在的线程。
3，你必须保证在线程中创建的所有对象在你删除QThread前被删除 。这很容易做到:你可以run ()函数运行的栈上创建对象。

尽管QObject是可重入的，但GUI类，特别是QWidget与它的所有子类都是不可重入的。它们仅用于主线程。正如前面提到过的，QCoreApplication::exec ()也必须从那个线程中被调用。实践上，不会在别的线程中使用GUI类，它们工作在主线程上，把一些耗时的操作放入独立的工作线程中，当工作线程运行完成，把结果在主线程所拥有的屏幕上显示。

逐线程事件循环

每个线程可以有它的事件循环，初始线程开始它的事件循环需使用QCoreApplication::exec (),别的线程开始它的事件循环需要用QThread::exec ().像QCoreApplication一样，QThreadr提供了exit (int)函数，一个quit () slot。

线程中的事件循环，使得线程可以使用那些需要事件循环的非GUI 类(如，QTimer ,QTcpSocket ,QProcess )。也可以把任何线程的signals连接到特定线程的slots，也就是说信号-槽机制是可以跨线程使用的。对于在QApplication之前创建的对象，QObject::thread ()返回0,这意味着主线程仅为这些对象处理投递事件，不会为没有所属线程的对象处理另外的事件。可以用QObject::moveToThread ()来改变它和它孩子们的线程亲缘关系，假如对象有父亲，它不能移动这种关系。在另一个线程(而不是创建它的那个线程)中delete QObject对象是不安全的。除非你可以保证在同一时刻对象不在处理事件。可以用QObject::deleteLater (),它会投递一个DeferredDelete 事件，这会被对象线程的事件循环最终选取到。
假如没有事件循环运行，事件不会分发给对象。举例来说，假如你在一个线程中创建了一个QTimer对象，但从没有调用过exec (),那么QTimer就不会发射它的timeout ()信号.对deleteLater ()也不会工作。(这同样适用于主线程)。你可以手工使用线程安全的函数QCoreApplication::postEvent ()，在任何时候，给任何线程中的任何对象投递一个事件，事件会在那个创建了对象的线程中通过事件循环派发。事件过滤器在所有线程中也被支持，不过它限定被监视对象与监视对象生存在同一线程中。类似地，QCoreApplication::sendEvent (不是postEvent ()),仅用于在调用此函数的线程中向目标对象投递事件。

从别的线程中访问QObject子类

QObject 和所有它的子类是非线程安全的。这包括整个的事件投递系统。需要牢记的是，当你正从别的线程中访问对象时，事件循环可以向你的QObject子类投递事件。假如你调用一个不生存在当前线程中的QObject子类的函数时，你必须用mutex来保护QObject子类的内部数据，否则会遭遇灾难或非预期结果。像其它的对象一样，QThread对象生存在创建它的那个线程中—不是当QThread::run() 被调用时创建的那个线程。一般来讲，在你的QThread子类中提供slots是不安全的，除非你用mutex保护了你的成员变量。
另一方面，你可以安全的从QThread::run ()的实现中发射信号，因为信号发射是线程安全的。

跨线程的信号-槽

Qt支持三种类型的信号-槽连接：
1，直接连接 ，当signal发射时，slot立即调用。此slot在发射signal的那个线程中被执行(不一定是接收对象生存的那个线程)
2，队列连接 ，当控制权回到对象属于的那个线程的事件循环时，slot被调用。此slot在接收对象生存的那个线程中被执行
3，自动连接(缺省)， 假如信号发射与接收者在同一个线程中，其行为如直接连接，否则，其行为如队列连接。
连接类型可能通过以向connect ()传递参数来指定。注意的是，当发送者与接收者生存在不同的线程中，而事件循环正运行于接收者的线程中，使用直接连接是不安全的。同样的道理，调用生存在不同的线程中的对象的函数也是不是安全的。QObject::connect ()本身是线程安全的。

多线程与隐含共享

Qt 为它的许多值类型使用了所谓的隐含共享(implicit sharing)来优化性能。原理比较简单，共享类包含一个指向共享数据块的指针，这个数据块中包含了真正原数据与一个引用计数。把深拷贝转化为一个浅拷贝，从而提高了性能。这种机制在幕后发生作用，程序员不需要关心它。如果深入点看，假如对象需要对数据进行修改，而引用计数大于1，那么它应该先 detach()。以使得它修改不会对别的共享者产生影响，既然修改后的数据与原来的那份数据不同了，因此不可能再共享了，于是它先执行深拷贝，把数据取回来，再在这份数据上进行修改。例如：

一般认为，隐含共享与多线程不太和谐，因为有引用计数的存在。对引用计数进行保护的方法之一是使用mutex,但它很慢，Qt早期版本没有提供一个满意的解决方案。从4.0开始，隐含共享类可以安全地跨线程拷贝，如同别的值类型一样。它们是完全可重入的。隐含共享真的是”implicit”。它使用汇编语言实现了原子性引用计数操作，这比用mutex快多了。
假如你在多个线程中同进访问相同对象，你也需要用mutex来串行化访问顺序,就如同其他可重入对象那样。总的来讲，隐含共享真的给”隐含“掉了，在多线程程序中，你可以把它们看成是一般的，非共享的，可重入的类型，这种做法是安全的。