Qt进程和线程之三：线程同步、可重入与线程安全

1、同步线程方法

使用线程的目的是允许代码并行运行，但是有时线程必须停止并等待其他线程。例如，如果两个线程试图同时写入相同的变量，结果是不确定的，所以需要同步线程。同步线程是一种保护共享资源等数据的常见的技术。迫使线程等待另一个的原则被称为互斥 。

Qt 中的 QMutex、QReadWriteLock、QSemaphore 和 QWaitCondition 类提供了同步线程的方法。

• QMutex提供了一个互斥锁（mutex），在任何时间至多有一个线程可以获得mu­tex。 如果一个线程尝试获得 mutex，而此时 mutex 已经被锁住了 ，这个线程将会睡眠， 直到现在获得mutex的线程对mutex进行解锁为止。互斥锁经常用于对共享数据（例如，可以同时被多个线程访问的数据）的访问进行保护。
• QReadWriteLock即读-写锁，与QMutex很相似，只不过它将对共享数据的访问区分为“读”访问和“写”访问，允许多个线程同时对数据进行“读”访问。在可能的情况下使用QReadWriteLock代替QMutex，可以提高多线程程序的并发度。
• QSemaphore即信号量，是QMutex的一般化，用来保护一定数量的相同的资源，而互斥锁mutex只能保护一个资源。Qt之线程同步（生产者消费者模式 - QSemaphore） 提供了一个典型的案例，信号量：在“生产者 - 消费者”之间同步访问循环缓冲区。
• QWaitCondition即条件变量，允许一个线程在一些条件满足时唤醒其他的线程。一个或者多个线程可以被阻塞来等待一个QWaitCondition来设置一个用于wakeOne()或者wakeAll()的条件。使用wakeOneO可以唤醒一个随机选取的等待线程，而使 用wakeAll()可以唤醒所有正在等待的线程。Qt之线程同步（生产者消费者模式 - QWaitCondition） 显示了如何使用 QWaitCondition 代替 QSemaphore 来实现“生产者 - 消费者”模式。

2、可重入与线程安全

这里的术语“可重入性”和“线程安全”被用来标记类与函数，以表明它们如何被应用在多线程应用程序中。

• 一个线程安全的函数可以同时被多个线程调用，甚至调用者会使用共享数据也没有问题，因为对共享数据的访问是串行的。
• 一个可重入函数也可以同时被多个线程调用，但是每个调用者只能使用自己的数据。

因此，一个线程安全的函数总是可重入的，但一个可重入的函数并不一定是线程安全的。扩展开来，一个可重入的类，指的是它的成员函数可以被多个线程安全地调用，只要每个线程使用这个类的不同的对象。而一个线程安全的类，指的是它的成员函数能够被多线程安全地调用，即使所有的线程都使用该类的同一个实例也没有关系。

注意： Qt的一些类被设计为线程安全的，如果它们的目的是多线程。如果一个函数没有被标记为线程安全的或可重入的，它就不应该被不同的线程使用。如果一个类没有被标记为线程安全的或可重入的，该类的实例就不应该被多个线程访问。

可重入性

C++的类往往是可重入的，这只是因为它们只能访问自己的数据。任何线程都能访问一个可重入类实例的一个成员函数，只要同一时间没有其它线程调用该实例的成员函数。例如，下面的Counter类就是可重入的：

class Counter
{
public:
    Counter() { n = 0; }

    void increment() { ++n; }
    void decrement() { --n; }
    int value() const { return n; }

private:
    int n;
};

该类不是线程安全的，因为如果多个线程试图修改数据成员n，则结果是不确定的。这是因为++和–操作都不总是原子性的。事实上，它们一般被展开为3条机器指令：

1. 将变量值装入寄存器
2. 增加或减少寄存器中的值
3. 将寄存器中的值写回内存

如果线程A和线程B同时将变量的旧值装入寄存器，增加寄存器中的值，再写回内存，它们最终会互相覆盖，导致变量值仅增加了一次！

线程安全

显然，访问应该是串行的： 线程A必须在无中断的情况下执行完1.2.3.三个步骤（原子性），然后线程B才能开始执行，反之亦然。一个使类是线程安全的简单方法就是用一个QMutex来保护数据成员的所有访问。

class Counter
{
public:
    Counter() { n = 0; }

    void increment() { QMutexLocker locker(&mutex); ++n; }
    void decrement() { QMutexLocker locker(&mutex); --n; }
    int value() const { QMutexLocker locker(&mutex); return n; }

private:
    mutable QMutex mutex;
    int n;
};

QMutexLocker类在其构造函数中自动锁定mutex，并且当析构函数被调用时解锁。锁定mutex保证了其它线程的访问都将是串行化的。mutex数据成员被声明为mutable的，这是因为value()是一个const函数，我们需要在其中lock和unlock该mutex。

Qt类的注意事项

许多Qt的类都是可重入的，但不是线程安全的，因为线程安全意味着为锁定与解锁一个QMutex增加额外的开销。例如：QString是可重入的，但不是线程安全的。你能够同时从多个线程访问不同的QString的实例，但不能同时从多个线程访问QString的同一个实例（除非用QMutex保护访问）。

有些Qt的类和函数是线程安全的。它们主要是线程相关类（例如：QMutex）和一些基本函数（例如： QCoreApplication::postEvent()）。

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