初探Qt线程池(最小实例）

概述
一般的多线程任务大多是避免主线程阻塞（界面卡死），开销线程的次数少。现在有一个光伏监控系统用于采集光伏板的发电功率，每次接收完网络数据包就会进行数据库的写操作。为了不占用主 GUI 线程，这一过程都在新线程里完成。但是成百上千的光伏板时时刻刻都会传送数据过来，如果每一次的执行都完整的创建线程-执行-销毁线程，可见这对于资源的消耗是何等之高。

根据《Qt 多线程编程之敲开 QThread 类的大门》中的「3.1 开多少个线程比较合适？」所讲“频繁的切换线程会使性能降低”，尤其是资源密集型操作，如需要 CPU 进行大量的运算任务。为了提高效率，在不增加资源（如 CPU 核数）的情况下，如何利用现有资源成了唯一的解决思路。线程池就是在这样的背景下诞生的。

任务的统一封装形式：QRunnable
为什么要统一封装形式？

从直观的角度来看，线程池里有若干个线程，我们只要将执行的任务“扔”到这个“池子”里就可以了。在 Qt 中，所有需要线程池的任务都用 QRunnable 统一封装起来，为什么要这样做而不是类似 QObject::moveToThread() 的方式呢？其实这样做只是为了方便管理而已。上百个任务如果都是统一的类，那就可以用一个数组来管理了。

除此以外，能用到线程池的任务，基本上功能单一且并不需要和其他线程进行信号槽的通信。所以基于这样的场景，Qt 没有将 QRunnable 设计成 QObject 的子类，也是最大限度地精简“任务”负担。

如何使用 QRunnable？

QRunnable()
virtual ~QRunnable()
bool autoDelete() const
void setAutoDelete(bool autoDelete)
virtual void run() = 0
使用 QRunnable 非常简单，继承后重写 run() 函数，然后“扔”给线程池即可。成员函数也就 autoDelete() 这么一种，用于设置对象的所有权。默认设置为 true，线程结束后会自动删除该对象，也就是说扔到线程里就不用管何时去删除的问题了。简单的使用示例如下代码所示：

class HelloWorldTask : public QRunnable
{
    void run() override
    {
        qDebug() << "Hello world";
    }
};

 
HelloWorldTask *task = new HelloWorldTask();
QThreadPool::globalInstance->start(task); 

2.3 如何使用信号槽通信？

因为 QRunnable 不是 QObject 的子类，因此不能使用信号槽这种元对象系统特性。如果使用场景需要信号槽通信，解决办法就是采用 QObject、QRunnable 双继承形式，例如下列代码：

class WorkRunnable : public QObject, public QRunnable
{
    Q_OBJECT
public:
    WorkRunnable();
protected:
    void run();
signals:
    void result(const QString &str);
public slots:
    void doSomething(const QString &str);
}

采用这种方法需要注意一点，就是 QObject 必须放在 QRunnable 前面，列表初始化时也同样如此。

线程池的本质是什么？
线程池这个概念不属于操作系统的范畴，存粹就是设计者自己写的一套管理工具。从感性的角度想，既然线程池称为“池子”，那这个“池子”里起码有「线程」和「任务」两种数据。因此 QThreadPool 类有着两种私有成员变量：QRunnable 和 QThread。但是为了便于管理很多的任务和线程，线程池将这两种数据进行了二次封装并用容器存储了起来，而线程池的本质就是协调两种容器之间数据的交互。

线程池中的两种数据之一：任务

首先，适用于线程复用的任务大多都是简单的任务，而线程池为了管理这些数量多的任务，将它们按照优先级进行了分类，同一优先级的任务会放到一个组中，在 QThreadPool 源码中以 QueuePage 类来表示一组任务，从以下代码可以看出最多存储255个任务。QueuePage 有一个私有变量 m_priority 用于表示该组的优先级。

class QueuePage {
public:
    enum {
        MaxPageSize = 256
    };

    QueuePage(QRunnable *runnable, int pri)
        : m_priority(pri)
    {
        push(runnable);
    }

private:
    int m_priority = 0;
    int m_firstIndex = 0;
    int m_lastIndex = -1;
    QRunnable *m_entries[MaxPageSize];
};

其次，不同优先级的任务组会放到 QVector 容器中，源码如下所示：

class Q_CORE_EXPORT QThreadPoolPrivate : public QObjectPrivate
{
public:
    QVector queue; // 任务队列
};

正如上述源码所示，如果任务没有统一的形式，怎么管理就是个比较棘手的事。所以将执行的任务统一成 QRunnable 的形式管理起来非常方便。

线程池中的两种数据之一：线程

因为 QThread 类无法满足被线程池管理的需求，因此线程池中的线程也进行了二次封装，由继承于 QThread 的 QThreadPoolThread 类表示。该类在 QThread 的基础上扩展了两个私有变量：QRunnable * 和 QThreadPoolPrivate *。一个用于存储当前线程要执行的任务，一个用于存储线程池的指针。如下代码所示：

class QThreadPoolThread : public QThread
{
public:
    QThreadPoolThread(QThreadPoolPrivate *manager);
    void run() override;
    void registerThreadInactive();

    QWaitCondition runnableReady;
    QThreadPoolPrivate *manager;
    QRunnable *runnable;
};

我们知道线程启动后会先执行 run() 函数，在 QThreadPoolThread 的 run() 函数中，线程执行完一个任务后会从任务列表中获取优先级靠前的任务组，然后从该任务组中循环取得任务来执行。

线程池如何处理这两种数据？

如果仅仅是使用的话，我们只要将 QRunnable 任务“丢”进线程池中就可以了。在线程池内部，提交的任务会经历重重关卡，最终找到属于自己的归属。一般来说，任务的最终归属有4种：开辟的新线程中、被扔到人物列表里、插入即将启动的线程中、利用执行完任务的线程中。无论哪一种归属，都会在一个线程中被执行。

既然我们的目的是减少线程开销，那么提交任务后肯定先看看线程池中是否有线程，因为默认的线程池里是空的，既没有任务也没有线程。没有线程的话，那就开辟一个新的线程，然后执行我们的任务。这是任务的第一个归属。

如果有线程，那自然要利用已有的线程。但是我们知道并不是开越多的线程越好，这时候如果工作的线程过多，我们还是没法利用已有的线程来执行我们的任务，那么我们只能将任务存入任务列表中，等待被这些活跃的线程“临幸”。这是任务的第二个归属。

这里产生一个问题，有多少个工作线程才算过多？在 tooManaThreadActive() 源码中我们可以找到答案，如下列代码。假如我们有一台双核超线程 CPU 的台式机，一般最大线程数量（maxThreadCount）为 2*2=4 个。那么下列代码的含义就是：在工作线程数量大于4个的基础上，如果仍然大于 reservedThreads + 1 个，那么就属于线程过多。从这里我们可以看出，如果设置的“保留线程数”小的话，对线程池不会有什么影响，只有大于 maxThreadCount -1 时才会判定该线程池中的工作线程过多。也就是说条件为：activeThreadCount > maxThreadCount 并且 activeThreadCount > reservedThreads + 1。

bool QThreadPoolPrivate::tooManyThreadsActive() const
{
    const int activeThreadCount = this->activeThreadCount();
    return activeThreadCount > maxThreadCount && (activeThreadCount - reservedThreads) > 1;
}

这里产生第二个问题，线程过多了会有什么影响？因为每一个线程都会循环的从任务列表中取任务来执行，每次执行完一个任务后线程都会有个“小动作”，即检查下当前线程池是否工作线程过多。毕竟执行任务的期间，我们还有可能在线程池里开辟新的线程来执行任务。如果工作线程过多，那么该线程（QT和readPoolThread）会存入 expiredThreads 队列中；如果不多，则会存入 waitingThreads 队列中。如果仍然不清楚 waitingThreads 和 expiredThreads 的区别，可以这样理解：所有任务都执行完的线程会存入 waitingThreads 容器中，而由于工作线程过多导致无法再继续执行任务的线程会存入 expiredThreads 容器中。至此，线程的归属我们也清楚了，参见 QThreadPool 线程池类的私有变量：

class Q_CORE_EXPORT QThreadPoolPrivate : public QObjectPrivate
{
    Q_DECLARE_PUBLIC(QThreadPool)
    friend class QThreadPoolThread;

public:
    QThreadPoolPrivate();

    QList allThreads;
    QQueue waitingThreads;
    QQueue expiredThreads;
};

现在我们发现工作线程也不是很多，那就从 waitingThreads 容器中取一个线程来执行我们的任务。这是任务的第三个归属。
如果 waitingThreads 容器是空的，那就从 expiredThreads 容器中取一个线程来执行我们的任务。这是任务的第四个归属。
如果连 expiredThreads 容器也是空的，那最终只能和第一个归属一样，开辟一个新的线程来执行任务。
以上就是提交新 QRunnable 后的处理流程，理解起来不是很难。看源码弄懂这个过程对开阔思维很有帮助，希望读者能静下心来细细品味。

.如何使用 QThreadPool
上节的内容如果没有看懂，没有关系，只要会用 QThreadPool 类就可以了，接下来我们讲讲如何使用 QThreadPool。所有的函数基本上是针对线程池、线程、任务这三部分而设计的。

线程池相关

全局对象

因为每个 Qt 程序或者说每个进程都有一个全局 QThreadPool 对象，所以 globalInstance() 函数用于获取该对象的指针，那么用的时候直接用该静态函数即可，而无需显式的创建一个 QThreadPool 对象。如下：

#include 
#include 
#include 
#include 

class Task : public QRunnable
{
public:
    void run()
    {
        qDebug() << "Hello";
    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    Task *task = new Task();
    QThreadPool::globalInstance()->start(task);

    return a.exec();
}

当然，并不是我们非得使用全局线程池，显式的创建一个局部线程池也是可以的。例如：

#include 
#include 
#include 
#include 

class Task : public QRunnable
{
public:
    void run()
    {
        // 每个任务执行10秒，每一秒都输出当前线程
        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            qDebug() << QThread::currentThread();
            QThread::sleep(1);
        }
    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    QThreadPool pool;

    // 每隔1秒插入一个任务
    for (int i = 0; i < 200; ++i) {
        Task *task = new Task();
        pool.start(task);
        QThread::sleep(1);
    }

    return a.exec();
}

工作线程数
获取线程池中工作线程的数量可以调用 activeThreadCount() 函数来获取。
最大线程数
最大线程数的目的之一是判断线程池是否超负荷运行的依据，在上文「线程池如何处理这两种数据？」中已经说明。我们可以用 maxThreadCount() 函数来获取最大线程数，用 setMaxThreadCount() 函数设置最大线程数。

线程相关

栈大小

QThreadPool 可以设置里面线程的栈大小，和《Qt 多线程编程之敲开 QThread 类的大门》的「3.2设置栈大小」内容一样。调用stackSize() 来获取设置的栈大小，调用 setStackSize() 来设置新线程的栈大小。

超时时间

这个 expiryTimeout 时间指的是执行完任务后线程保留的时间，默认是30秒。也就是说在30秒内如果线程还没有去执行新的任务，那么该线程才会被销毁。线程池设置超时时间只会对新线程有效果，对已经运行的线程产生作用。调用 setExpiryTimeout() 函数可以设置。

保留线程·

关于保留线程的作用，已经在上文「3.3线程池如何处理这两种数据？」中阐述，这里不再赘述。调用 reserveThread() 函数可以使 reservedThreads 计数加一，调用 releaseThread() 函数则将其计数减1。

执行

线程池没有“启动”一说，调用 start() 仅仅是将任务丢进线程池而已，线程池内部会根据自身的状况来决定如何处理这个任务。

任务相关

QThreadPool 还设计了一个阻塞函数 waitForDone() 用于等待所有任务被执行完，只有所有任务都执行完后才会继续执行该函数下面的代码。当然也可以将时间传入该函数的参数用于超时判断。

QThreadPool 类中的 start() 和 tryStart() 这两个函数比较相似，所不同的是：调用 start() 函数，如果线程池中没有可用的线程时，会把待执行的任务存放到任务列表中；而调用 tryStart() 函数，没有可用线程时会返回 false，并不会对任务做任何处理。

删除某个任务可以调用 tryTake() 函数，而清空所有任务可以调用 clear() 函数。

所有函数
QRunnable 类

QRunnable()
virtual ~QRunnable()
bool autoDelete() const
void setAutoDelete(bool autoDelete)
virtual void run() = 0
QThreadPool 类

线程池
全局对象：[static]QThreadPool * globalInstance()
活跃的线程数：int activeThreadCount() const
最大线程数
int maxThreadCount() const
void setMaxThreadCount(int maxThreadCount)
线程
栈大小
uint stackSize() const
void setStackSize(uint stackSize)
超时时间
int expiryTimeout() const
void setExpiryTimeout(int expiryTimeout)
保留线程
保留线程：void reserveThread()
释放线程：void releaseThread()
执行
启动：void start(QRunnable *runnable, int priority = 0)
任务
等待所有runnable完成：bool waitForDone(int msecs = -1)
尝试启用已有线程并立即运行runnable：bool tryStart(QRunnable *runnable)
删除runnable：bool tryTake(QRunnable *runnable)
删除未启动的runnable：void clear()

https://blog.csdn.net/smalbig/article/details/105183159