[QT编程系列-27]：多线程机制 - 信号与槽实现不同对象之间通信的五种情形：线程内同步通信、线程内异步通信、线程间异步通信
目录
理论基础：
0.1信号与槽机制
0.2 线程的事件队列
0.3 线程的信号队列
第1种情形：主线程上下文的两个对象之间同步通信
第2种情形：主线程上下文的两个对象之间异步通信
第3种情形：子线程给主线程上下文中的对象发送异步信号
第4种情形：子线程给move到子线程上下文中的对象发送异步信号
第5种情形：子线程给自身上下文的对象发送异步信号
理论基础：
0.1信号与槽机制
参看前文.....
0.2 线程的事件队列
在Qt中，每个线程都有一个事件队列（event queue），用于存储待处理的事件。
事件队列是线程的主要机制之一，用于实现异步和事件驱动的编程模型。
事件队列中存储的是Qt特定的事件对象，这些事件可以是各种类型，如用户输入事件、定时器事件、自定义事件等。每个事件都有特定的优先级和处理方式。
线程的事件队列基于事件循环（event loop）的概念。一个线程通过运行事件循环来处理事件队列中的事件。事件循环会不断地从事件队列中取出事件，并将其分发给相应的接收者进行处理。当一个事件被处理完毕后，事件循环会继续处理下一个事件，直到事件队列为空或者退出事件循环。
以下是一个简单示例，展示了如何使用事件队列和事件循环：
#include
#include
#include
#include
class CustomEvent : public QEvent
{
public:
CustomEvent() : QEvent(QEvent::User) {}
};
class CustomObject : public QObject
{
public:
bool event(QEvent *event) override
{
if (event->type() == QEvent::User) {
qDebug() << "CustomEvent received and processed";
return true;
}
return QObject::event(event);
}
};
int main(int argc, char *argv[])
{
QCoreApplication app(argc, argv);
CustomEvent customEvent;
CustomObject customObject;
// 将自定义事件放入事件队列
QCoreApplication::postEvent(&customObject, &customEvent);
// 创建事件循环对象并运行事件循环
QEventLoop eventLoop;
eventLoop.exec();
return app.exec();
}
在这个示例中，我们创建了一个自定义事件CustomEvent，并创建了一个自定义对象CustomObject。然后，我们使用QCoreApplication::postEvent()将自定义事件放入CustomObject所属线程的事件队列。
接下来，我们创建了一个QEventLoop对象eventLoop，并调用其exec()方法开始运行事件循环。在事件循环中，事件队列中的事件会被取出并传递给CustomObject的event()函数进行处理。在本例中，当自定义事件被处理时，会在控制台输出一条消息。
在应用程序的主事件循环中，我们调用了QCoreApplication::exec()来运行应用程序的事件循环。这样，事件队列中的事件才会被处理。
总之，线程的事件队列是用于存储待处理事件的机制，它基于事件循环来实现异步和事件驱动的编程模型。通过将事件放入事件队列，并运行事件循环，线程可以按照事件的顺序进行处理，并响应各种事件。
0.3 线程的信号队列
在Qt中，每个线程都有一个关联的事件循环（event loop）和信号队列（signal queue）。
信号队列用于在线程之间进行跨线程的信号传递。
线程的信号队列实现了跨线程异步通信的机制，使得信号发射和槽函数的执行可以在不同线程中进行。当一个信号被发射时，相关的参数会被封装成一个事件，并被放入目标线程的信号队列中。目标线程的事件循环会不断从信号队列中取出事件，并将其分发给槽函数进行处理。
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以下是一些关于线程信号队列的重要特点和注意事项：
-
信号槽连接类型（Connection Type）：在连接信号和槽时，需要指定连接类型来决定信号的传递方式。常见的连接类型有：
- AutoConnection：Qt会根据信号和槽所在的线程自动选择连接类型，如果在不同线程中，则会使用QueuedConnection。
- DirectConnection：信号立即传递给槽函数，如果信号和槽在不同线程中，则行为未定义。DirectConnection用于发送同步信号，即直接函数调用。
- QueuedConnection：信号被放入目标线程的信号队列中，由目标线程的事件循环处理。QueuedConnection用于发送异步信号，即信号队列间接调用。
-
接收者线程的事件循环：目标线程中需要运行事件循环，才能及时处理信号队列中的事件。如果目标线程没有事件循环，信号将会排队等待，直到目标线程启动事件循环。
-
线程安全性：Qt中的信号槽机制是线程安全的。当使用QueuedConnection连接信号和槽时，信号被封装为事件对象，并在目标线程的事件队列中进行处理。这样可以避免并发访问的问题，确保信号槽的安全执行。
-
避免阻塞和处理延迟：使用QueuedConnection连接信号和槽时，槽函数的执行是异步的，即槽函数执行的时间可以在信号发射后的任何时间点。这意味着槽函数可能会有一定的延迟，并且不会阻塞信号发射者。因此，如果槽函数需要进行耗时的操作，应将其放在后台线程中执行，以避免阻塞主线程或其他重要操作。
需要注意的是，使用线程的信号队列要确保相关的对象已经正确连接了信号槽，并选择合适的连接类型来实现异步跨线程通信。此外，还需要注意线程安全问题，合理处理共享数据的访问和保护。
总而言之，线程的信号队列是Qt中跨线程异步通信的机制，它通过将信号封装为事件对象，将事件放入目标线程的信号队列中，并在目标线程的事件循环中处理，实现了线程间的安全通信。使用信号队列可以避免直接并发访问的问题，使得不同线程中的信号发射和槽函数的执行能够异步进行。
第1种情形：主线程上下文的两个对象之间同步通信
在Qt中，如果在同一线程中存在多个对象，需要进行信号通信和同步，可以使用Qt提供的信号槽机制来实现。
在同一线程内，信号槽的连接是直接的，无需使用特定的连接类型，因为信号槽的调用是同步的，不涉及线程切换。
以下是在同一线程内不同对象之间进行同步信号通信的步骤：
- 声明信号和槽：在需要发送信号的对象中声明一个信号（用于为关心此信号的对象注册回调函数，即槽函数），以及在接收信号的对象中声明一个相应的槽函数（通过connect，注册到发送信号的对象中）。信号和槽函数可以声明为公共槽或私有槽，具体取决于需求。
class SenderObject : public QObject
{
Q_OBJECT
signals:
void sendMessage(const QString& message);
};
class ReceiverObject : public QObject
{
Q_OBJECT
public slots:
void onMessageReceived(const QString& message)
{
// 处理接收到的消息
}
};
- 连接信号和槽：在对象创建和配置的过程中，将信号与槽函数进行连接，以确保信号发射时能触发相应的槽函数。
int main(int argc, char *argv[])
{
QApplication a(argc, argv);
MainWindow w;
qDebug() << QThread::currentThread() << "Main thread started" ;
SenderObject* sender = new SenderObject;
ReceiverObject* receiver = new ReceiverObject;
//QObject::connect(sender, &SenderObject::sendMessage, receiver, &ReceiverObject::onMessageReceived);
QObject::connect(sender, &SenderObject::sendMessage, receiver, &ReceiverObject::onMessageReceived, Qt::DirectConnection);
//QObject::connect(sender, &SenderObject::sendMessage, receiver, &ReceiverObject::onMessageReceived, Qt::QueuedConnection);- 发射信号：在发送信号的对象中，通过调用信号函数并传入相应的参数，发射信号。该信号会直接连接到接收信号的槽函数，并在同一线程中执行槽函数。
QString message = "Hello, world!";
qDebug() << QThread::currentThread() << "emit message1" ;
emit sender->sendMessage(message);
qDebug() << QThread::currentThread() << "emit message2" ;
emit sender->sendMessage(message);
qDebug() << QThread::currentThread() << "emit message done" ;
执行结果：
QThread(0x19177f0) Main windows is running
QThread(0x19177f0) Main thread started
QThread(0x19177f0) emit message1
QThread(0x19177f0) ReceiverObject received message： "Hello, world!"
QThread(0x19177f0) emit message2
QThread(0x19177f0) ReceiverObject received message： "Hello, world!"
QThread(0x19177f0) emit message done
QThread(0x19177f0) Main thread finished
在上述示例中，SenderObject类定义了一个sendMessage信号，ReceiverObject类定义了一个onMessageReceived槽函数。
通过调用connect函数将两个对象的信号和槽进行连接，当SenderObject对象发射sendMessage信号时，ReceiverObject对象的onMessageReceived槽函数将会被调用，并传递相应的参数。
需要注意的是，在同一线程中进行信号通信时，需要确保对象的生命周期和线程的生命周期一致，以免产生悬挂指针问题。
总而言之，Qt的信号槽机制可以在同一线程内的不同对象之间。
第2种情形：主线程上下文的两个对象之间异步通信
在Qt中，如果在同一线程中存在多个对象，需要进行信号通信和同步，可以使用Qt提供的信号槽机制来实现。
在同一线程内，信号槽的连接可以配置成QueuedConnection，此时，信号槽的调用是异步的，但还是在同一线程内部通信，只不过，需要通过线程的信号队列，而不是直接函数调用。
以下是在同一线程内不同对象之间进行异步信号通信的步骤：
- 声明信号和槽：在需要发送信号的对象中声明一个信号（用于为关心此信号的对象注册回调函数，即槽函数），以及在接收信号的对象中声明一个相应的槽函数（通过connect，注册到发送信号的对象中）。信号和槽函数可以声明为公共槽或私有槽，具体取决于需求。
class SenderObject : public QObject
{
Q_OBJECT
signals:
void sendMessage(const QString& message);
};
class ReceiverObject : public QObject
{
Q_OBJECT
public slots:
void onMessageReceived(const QString& message)
{
// 处理接收到的消息
}
};
- 连接信号和槽：在对象创建和配置的过程中，将信号与槽函数进行连接，以确保信号发射时能触发相应的槽函数。
int main(int argc, char *argv[])
{
QApplication a(argc, argv);
MainWindow w;
qDebug() << QThread::currentThread() << "Main thread started" ;
SenderObject* sender = new SenderObject;
ReceiverObject* receiver = new ReceiverObject;
//QObject::connect(sender, &SenderObject::sendMessage, receiver, &ReceiverObject::onMessageReceived);
//QObject::connect(sender, &SenderObject::sendMessage, receiver, &ReceiverObject::onMessageReceived, Qt::DirectConnection);
QObject::connect(sender, &SenderObject::sendMessage, receiver, &ReceiverObject::onMessageReceived, Qt::QueuedConnection);- 发射信号：在发送信号的对象中，通过调用信号函数并传入相应的参数，发射信号。该信号会直接连接到接收信号的槽函数，并在同一线程中执行槽函数。
QString message = "Hello, world!";
qDebug() << QThread::currentThread() << "emit message1" ;
emit sender->sendMessage(message);
qDebug() << QThread::currentThread() << "emit message2" ;
emit sender->sendMessage(message);
qDebug() << QThread::currentThread() << "emit message done" ;
执行结果：
QThread(0x1a177f0) Main windows is running
QThread(0x1a177f0) Main thread started
QThread(0x1a177f0) emit message1 //异步发送，不直接调用接收对象的槽函数
QThread(0x1a177f0) emit message2 //异步发送，不直接调用接收对象的槽函数
QThread(0x1a177f0) emit message done
QThread(0x1a177f0) Main thread finished
QThread(0x1a177f0) ReceiverObject received message： "Hello, world!" //由线程的信号处理函数调用接收对象的槽函数
QThread(0x1a177f0) ReceiverObject received message： "Hello, world!" //由线程的信号处理函数调用接收对象的槽函数
在上述示例中，SenderObject类定义了一个sendMessage信号，ReceiverObject类定义了一个onMessageReceived槽函数。
通过调用connect函数将两个对象的信号和槽非直接连接，当SenderObject对象发射sendMessage信号时，信号首先被缓存到线程的信号队列，并直接返回，ReceiverObject对象的onMessageReceived槽函数将被线程的信号队里查询函数调用，并传递相应的参数，因此会出现异步延时！！！
需要注意的是，在同一线程中进行信号通信时，需要确保对象的生命周期和线程的生命周期一致，以免产生悬挂指针问题。
总而言之，Qt的信号槽机制可以在同一线程内的不同对象之间。
第3种情形：子线程给主线程上下文中的对象发送异步信号
（1）工作类
class MyWorker : public QObject {
Q_OBJECT
public slots:
void doWork() {
qDebug() << QThread::currentThread() << "doWork is called";
while(0){
qDebug() << QThread::currentThread() << "Worker thread running" ;
// 执行耗时操作
QThread::sleep(3);
}
qDebug() << QThread::currentThread() << "doWork is finished";
}
};
#endif // MYWORKER_H（2）主线程创建和启动子线程
int main(int argc, char *argv[])
{
QApplication a(argc, argv);
MainWindow w;
qDebug() << QThread::currentThread() << "Main thread started" ;
#if 1 //子线程调用
//创建一个管理线程上下文的对象
QThread* workerThread1 = new QThread;
//在主线程的上下文context空间，创建一个task对象
MyWorker* myworker1 = new MyWorker;
// 将 Worker 对象移到 workerThread 线程
//myworker1->moveToThread(workerThread1);
// 把线程的started信号与关心此信号的myworker1对象的槽函数doWork关联起来
// 该槽函数被哪个线程调用执行，取决于该对象与线程的关系。
// 1. 对象是由线程A创建的，在线程A的上下文，则该对象的槽函数被线程A执行(本案例）
// 2. 对象是由线程B创建的，在线程B的上下文，
// 但通过movetoThread，关联到进程B的上下文，则该对象的槽函数被线程B执行但
QObject::connect(workerThread1, &QThread::started, myworker1, &MyWorker::doWork, Qt::QueuedConnection);
//主线程向thread对象发送start信号，启动一个子线程，并执行子线程的run函数
//run函数会检测QThread的信号队里，并执行信号对应的槽函数。
//子线程的run启动完成后，子线程对象会发送started信号
workerThread1->start();
// 当线程启动时，执行 Worker 的 doWork() 槽函数
// 线程也是一个对象，因此可以使用对象之间的通信机制，进行通信
// 子线程启动成功后，子线程立即发送此信号：started
// myworker1对象的槽函数doWork会被调用
#endif
}（3）执行结果
QThread(0x19c7770) Main windows is running
QThread(0x19c7770) Main thread started
QThread(0x19c7770) Main thread finished
QThread(0x19c7770) doWork is called //worker对象的槽函数在主线程的上下文中执行
QThread(0x19c7770) doWork is finished
第4种情形：子线程给move到子线程上下文中的对象发送异步信号
（1）工作类
class MyWorker : public QObject {
Q_OBJECT
public slots:
void doWork() {
qDebug() << QThread::currentThread() << "doWork is called";
while(0){
qDebug() << QThread::currentThread() << "Worker thread running" ;
// 执行耗时操作
QThread::sleep(3);
}
qDebug() << QThread::currentThread() << "doWork is finished";
}
};
#endif // MYWORKER_H（2）主线程创建和启动子线程
int main(int argc, char *argv[])
{
QApplication a(argc, argv);
MainWindow w;
qDebug() << QThread::currentThread() << "Main thread started" ;
#if 1 //子线程调用
//创建一个管理线程上下文的对象
QThread* workerThread1 = new QThread;
//在主线程的上下文context空间，创建一个task对象
MyWorker* myworker1 = new MyWorker;
// 将 Worker 对象移到 workerThread 线程的上下文中
myworker1->moveToThread(workerThread1);
// 把线程的started信号与关心此信号的myworker1对象的槽函数doWork关联起来
// 该槽函数被哪个线程调用执行，取决于该对象与线程的关系。
// 1. 对象是由线程A创建的，在线程A的上下文，则该对象的槽函数被线程A执行
// 2. 对象是由线程B创建的，在线程B的上下文，（本案例）
// 但通过movetoThread，关联到进程B的上下文，则该对象的槽函数被线程B执行但
QObject::connect(workerThread1, &QThread::started, myworker1, &MyWorker::doWork, Qt::QueuedConnection);
//主线程向thread对象发送start信号，启动一个子线程，并执行子线程的run函数
//run函数会检测QThread的信号队里，并执行信号对应的槽函数。
//子线程的run启动完成后，子线程对象会发送started信号
workerThread1->start();
// 当线程启动时，执行 Worker 的 doWork() 槽函数
// 线程也是一个对象，因此可以使用对象之间的通信机制，进行通信
// 子线程启动成功后，子线程立即发送此信号：started
// myworker1对象的槽函数doWork会被调用
#endif
}（3）执行结果
QThread(0x1b37770) Main windows is running
QThread(0x1b37770) Main thread started
QThread(0x1b37770) Main thread finished
QThread(0x3176f00) doWork is called //doWork在子线程的上下中得到执行
QThread(0x3176f00) doWork is finished
4.1 moveToThread原理
moveToThread函数的原理是将一个QObject对象从当前线程移动到目标线程中，并重新分配给目标线程的事件循环进行处理。它的具体原理如下：
-
moveToThread函数的调用将在目标线程的事件循环中排队一个特殊的事件，该事件会通知Qt框架将对象从当前线程移动到目标线程。 -
框架会将QObject对象的内部状态进行调整，包括重新设置线程存储（Thread Storage）、调整对象属性和线程局部存储上下文等，以使对象与目标线程关联。
-
当事件循环在目标线程中处理这个特殊事件时，Qt会进行一些重要的操作来确保对象的正确移动：
- 对象的内部线程标识会被更改为目标线程的线程标识。
- 对象的父子关系也会被调整，将对象从原来的父对象中移除，并将其设置为目标线程的线程对象的子对象。
- 源线程会释放对该对象的所有权，并且不再处理与该对象相关的事件。
-
现在，该QObject对象就完全属于目标线程了，并且可以在目标线程中进行信号的发射和槽函数的调用。
需要注意的是，moveToThread函数只是将QObject对象在线程间的归属关系进行转移，并不会自动将对象的成员函数或信号槽的执行转移到目标线程。因此，在目标线程中调用对象的成员函数或槽函数时，仍然需要与事件循环进行协同，并遵循事件处理的机制和线程安全的要求。
此外，由于QObject对象移动到了新的线程，要确保正确管理和同步对象的访问，以避免潜在的多线程竞争条件和线程安全问题。
4.2 对象的父子关系
在Qt中，可以通过以下几种方式建立对象的父子关系：
- 构造函数参数：通过在对象的构造函数中传递父对象指针来建立父子关系。
QObject::QObject(QObject *parent = nullptr)
使用该构造函数创建的对象将自动成为传入的父对象的子对象。
示例：
QObject parentObj;
QObject *childObj = new QObject(&parentObj);
setParent()函数：通过调用对象的setParent()函数来设置父对象。
void QObject::setParent(QObject *parent)
示例：
QObject parentObj;
QObject childObj;
childObj.setParent(&parentObj);
- 属性设置：设置对象的
QObject::parent属性来建立父子关系。
void QObject::setParent(QObject *parent)
示例：
QObject parentObj;
QObject childObj;
childObj.setProperty("parent", QVariant::fromValue(&parentObj));
无论使用哪种方式建立父子关系，子对象会自动添加到父对象的子对象列表中，并在子对象的析构时自动从父对象中移除。
需要注意的是，在建立父子关系时，要确保父对象的生命周期大于或等于子对象的生命周期，以避免访问已被销毁的父对象或子对象的悬空指针。
此外，父子关系不仅仅是一种简单的组织结构，还会影响事件传播、属性继承和实现一些便利功能，如对象树的遍历和资源管理等。
第5种情形：子线程给自身上下文的对象发送异步信号
如果您不使用moveToThread函数将对象移动到子线程中，而是希望在子线程中调用对象的槽函数，可以使用以下方法：
- 使用
QThread类：创建一个继承自QThread的子类，重写run函数，在run函数中执行需要在子线程中执行的任务，并在其中调用对象的槽函数。
class WorkerThread : public QThread
{
Q_OBJECT
public:
void run() override
{
// 在这里执行需要在子线程中执行的任务
// ...
// 调用对象的槽函数
emit mySignal(); // 触发信号，槽函数会在接收线程中被调用
}
signals:
void mySignal();
};
然后，在主线程中创建一个WorkerThread对象并启动线程：
WorkerThread thread;
QObject::connect(&thread, SIGNAL(mySignal()), receiver, SLOT(slot()));
thread.start();
- 使用
QtConcurrent框架：QtConcurrent提供了一种方便的方式在后台线程中执行函数，可以使用QtConcurrent::run来调用对象的成员函数。
QFuture future = QtConcurrent::run(obj, &MyObject::mySlot); // 在后台线程中执行槽函数
需要注意的是，在使用以上方法时，仍需要注意多线程安全性和对象生命周期的管理。确保在子线程中使用的对象在使用结束后正确释放，并避免多个线程同时访问同一资源可能引起的线程安全问题。
总之，使用上述方法，您可以在子线程中调用对象的槽函数，而不必使用moveToThread函数将对象移动到子线程中。