Qt 学习之路 2(72):线程和事件循环

前面一章我们简单介绍了如何使用QThread实现线程。现在我们开始详细介绍如何“正确”编写多线程程序。我们这里的大部分内容来自于Qt的一篇Wiki文档,有兴趣的童鞋可以去看原文。

在介绍在以前,我们要认识两个术语:

  • 可重入的(Reentrant):如果多个线程可以在同一时刻调用一个类的所有函数,并且保证每一次函数调用都引用一个唯一的数据,就称这个类是可重入的(Reentrant means that all the functions in the referenced class can be called simultaneously by multiple threads, provided that each invocation of the functions reference unique data.)。大多数 C++ 类都是可重入的。类似的,一个函数被称为可重入的,如果该函数允许多个线程在同一时刻调用,而每一次的调用都只能使用其独有的数据。全局变量就不是函数独有的数据,而是共享的。换句话说,这意味着类或者函数的使用者必须使用某种额外的机制(比如锁)来控制对对象的实例或共享数据的序列化访问。
  • 线程安全(Thread-safe):如果多个线程可以在同一时刻调用一个类的所有函数,即使每一次函数调用都引用一个共享的数据,就说这个类是线程安全的(Threadsafe means that all the functions in the referenced class can be called simultaneously by multiple threads even when each invocation references shared data.)。如果多个线程可以在同一时刻访问函数的共享数据,就称这个函数是线程安全的。

进一步说,对于一个类,如果不同的实例可以被不同线程同时使用而不受影响,就说这个类是可重入的;如果这个类的所有成员函数都可以被不同线程同时调用而不受影响,即使这些调用针对同一个对象,那么我们就说这个类是线程安全的。由此可以看出,线程安全的语义要强于可重入。接下来,我们从事件开始讨论。之前我们说过,Qt 是事件驱动的。在 Qt 中,事件由一个普通对象表示(QEvent或其子类)。这是事件与信号的一个很大区别:事件总是由某一种类型的对象表示,针对某一个特殊的对象,而信号则没有这种目标对象。所有QObject的子类都可以通过覆盖QObject::event()函数来控制事件的对象。

事件可以由程序生成,也可以在程序外部生成。例如:

  • QKeyEventQMouseEvent对象表示键盘或鼠标的交互,通常由系统的窗口管理器产生;
  • QTimerEvent事件在定时器超时时发送给一个QObject,定时器事件通常由操作系统发出;
  • QChildEvent在增加或删除子对象时发送给一个QObject,这是由 Qt 应用程序自己发出的。

需要注意的是,与信号不同,事件并不是一产生就被分发。事件产生之后被加入到一个队列中(这里的队列含义同数据结构中的概念,先进先出),该队列即被称为事件队列。事件分发器遍历事件队列,如果发现事件队列中有事件,那么就把这个事件发送给它的目标对象。这个循环被称作事件循环。事件循环的伪代码描述大致如下所示:

while (is_active)
{
    while (!event_queue_is_empty) {
        dispatch_next_event();
    }
    wait_for_more_events();
}

正如前面所说的,调用QCoreApplication::exec() 函数意味着进入了主循环。我们把事件循环理解为一个无限循环,直到QCoreApplication::exit()或者QCoreApplication::quit()被调用,事件循环才真正退出。

伪代码里面的while会遍历整个事件队列,发送从队列中找到的事件;wait_for_more_events()函数则会阻塞事件循环,直到又有新的事件产生。我们仔细考虑这段代码,在wait_for_more_events()函数所得到的新的事件都应该是由程序外部产生的。因为所有内部事件都应该在事件队列中处理完毕了。因此,我们说事件循环在wait_for_more_events()函数进入休眠,并且可以被下面几种情况唤醒:

  • 窗口管理器的动作(键盘、鼠标按键按下、与窗口交互等);
  • 套接字动作(网络传来可读的数据,或者是套接字非阻塞写等);
  • 定时器;
  • 由其它线程发出的事件(我们会在后文详细解释这种情况)。

在类 UNIX 系统中,窗口管理器(比如 X11)会通过套接字(Unix Domain 或 TCP/IP)向应用程序发出窗口活动的通知,因为客户端就是通过这种机制与 X 服务器交互的。如果我们决定要实现基于内部的socketpair(2)函数的跨线程事件的派发,那么窗口的管理活动需要唤醒的是:

  • 套接字 socket
  • 定时器 timer

这也正是select(2)系统调用所做的:它监视窗口活动的一组描述符,如果在一定时间内没有活动,它会发出超时消息(这种超时是可配置的)。Qt 所要做的,就是把select()的返回值转换成一个合适的QEvent子类的对象,然后将其放入事件队列。好了,现在你已经知道事件循环的内部机制了。

至于为什么需要事件循环,我们可以简单列出一个清单:

  • 组件的绘制与交互QWidget::paintEvent()会在发出QPaintEvent事件时被调用。该事件可以通过内部QWidget::update()调用或者窗口管理器(例如显示一个隐藏的窗口)发出。所有交互事件(键盘、鼠标)也是类似的:这些事件都要求有一个事件循环才能发出。
  • 定时器:长话短说,它们会在select(2)或其他类似的调用超时时被发出,因此你需要允许 Qt 通过返回事件循环来实现这些调用。
  • 网络:所有低级网络类(QTcpSocketQUdpSocket以及QTcpServer等)都是异步的。当你调用read()函数时,它们仅仅返回已可用的数据;当你调用write()函数时,它们仅仅将写入列入计划列表稍后执行。只有返回事件循环的时候,真正的读写才会执行。注意,这些类也有同步函数(以waitFor开头的函数),但是它们并不推荐使用,就是因为它们会阻塞事件循环。高级的类,例如QNetworkAccessManager则根本不提供同步 API,因此必须要求事件循环。

有了事件循环,你就会想怎样阻塞它。阻塞它的理由可能有很多,例如我就想让QNetworkAccessManager同步执行。在解释为什么永远不要阻塞事件循环之前,我们要了解究竟什么是“阻塞”。假设我们有一个按钮Button,这个按钮在点击时会发出一个信号。这个信号会与一个Worker对象连接,这个Worker对象会执行很耗时的操作。当点击了按钮之后,我们观察从上到下的函数调用堆栈:

main(int, char **)
QApplication::exec()
[…]
QWidget::event(QEvent *)
Button::mousePressEvent(QMouseEvent *)
Button::clicked()
[…]
Worker::doWork()

我们在main()函数开始事件循环,也就是常见的QApplication::exec()函数。窗口管理器侦测到鼠标点击后,Qt 会发现并将其转换成QMouseEvent事件,发送给组件的event()函数。这一过程是通过QApplication::notify()函数实现的。注意我们的按钮并没有覆盖event()函数,因此其父类的实现将被执行,也就是QWidget::event()函数。这个函数发现这个事件是一个鼠标点击事件,于是调用了对应的事件处理函数,就是Button::mousePressEvent()函数。我们重写了这个函数,发出Button::clicked()信号,而正是这个信号会调用Worker::doWork()槽函数。有关这一机制我们在前面的事件部分曾有阐述,如果不明白这部分机制,请参考前面的章节

worker努力工作的时候,事件循环在干什么?或许你已经猜到了答案:什么都没做!事件循环发出了鼠标按下的事件,然后等着事件处理函数返回。此时,它一直是阻塞的,直到Worker::doWork()函数结束。注意,我们使用了“阻塞”一词,也就是说,所谓阻塞事件循环,意思是没有事件被派发处理。

在事件就此卡住时,组件也不会更新自身(因为QPaintEvent对象还在队列中),也不会有其它什么交互发生(还是同样的原因),定时器也不会超时并且网络交互会越来越慢直到停止。也就是说,前面我们大费周折分析的各种依赖事件循环的活动都会停止。这时候,需要窗口管理器会检测到你的应用程序不再处理任何事件,于是告诉用户你的程序失去响应。这就是为什么我们需要快速地处理事件,并且尽可能快地返回事件循环。

现在,重点来了:我们不可能避免业务逻辑中的耗时操作,那么怎样做才能既可以执行那些耗时的操作,又不会阻塞事件循环呢?一般会有三种解决方案:第一,我们将任务移到另外的线程(正如我们上一章看到的那样,不过现在我们暂时略过这部分内容);第二,我们手动强制运行事件循环。想要强制运行事件循环,我们需要在耗时的任务中一遍遍地调用QCoreApplication::processEvents()函数。QCoreApplication::processEvents()函数会发出事件队列中的所有事件,并且立即返回到调用者。仔细想一下,我们在这里所做的,就是模拟了一个事件循环。

另外一种解决方案我们在前面的章节提到过:使用QEventLoop类重新进入新的事件循环。通过调用QEventLoop::exec()函数,我们重新进入新的事件循环,给QEventLoop::quit()槽函数发送信号则退出这个事件循环。拿前面的例子来说:

QEventLoop eventLoop;
connect(netWorker, &NetWorker::finished,
        &eventLoop, &QEventLoop::quit);
QNetworkReply *reply = netWorker->get(url);
replyMap.insert(reply, FetchWeatherInfo);
eventLoop.exec();

QNetworkReply没有提供阻塞式 API,并且要求有一个事件循环。我们通过一个局部的QEventLoop来达到这一目的:当网络响应完成时,这个局部的事件循环也会退出。

前面我们也强调过:通过“其它的入口”进入事件循环要特别小心:因为它会导致递归调用!现在我们可以看看为什么会导致递归调用了。回过头来看看按钮的例子。当我们在Worker::doWork()槽函数中调用了QCoreApplication::processEvents()函数时,用户再次点击按钮,槽函数Worker::doWork()又一次被调用:

main(int, char **)
QApplication::exec()
[…]
QWidget::event(QEvent *)
Button::mousePressEvent(QMouseEvent *)
Button::clicked()
[…]
Worker::doWork() // 第一次调用
QCoreApplication::processEvents() // 手动发出所有事件
[…]
QWidget::event(QEvent * ) // 用户又点击了一下按钮…
Button::mousePressEvent(QMouseEvent *)
Button::clicked() // 又发出了信号…
[…]
Worker::doWork() // 递归进入了槽函数!

当然,这种情况也有解决的办法:我们可以在调用QCoreApplication::processEvents()函数时传入QEventLoop::ExcludeUserInputEvents参数,意思是不要再次派发用户输入事件(这些事件仍旧会保留在事件队列中)。

幸运的是,在删除事件(也就是由QObject::deleteLater()函数加入到事件队列中的事件)中,没有这个问题。这是因为删除事件是由另外的机制处理的。删除事件只有在事件循环有比较小的“嵌套”的情况下才会被处理,而不是调用了deleteLater()函数的那个循环。例如:

QObject *object = new QObject;
object->deleteLater();
QDialog dialog;
dialog.exec();

这段代码并不会造成野指针(注意,QDialog::exec()的调用是嵌套在deleteLater()调用所在的事件循环之内的)。通过QEventLoop进入局部事件循环也是类似的。在 Qt 4.7.3 中,唯一的例外是,在没有事件循环的情况下直接调用deleteLater()函数,那么,之后第一个进入的事件循环会获取这个事件,然后直接将这个对象删除。不过这也是合理的,因为 Qt 本来不知道会执行删除操作的那个“外部的”事件循环,所以第一个事件循环就会直接删除对象。

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  1. joinAero 2013年12月22日
  2. jorneyr 2014年1月13日
    • Charles 2015年4月12日
  3. jorneyr 2014年1月13日
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    • 豆子 2014年3月10日
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  14. luis 2016年7月27日
    • 豆子 2016年7月28日
  15. LinWM 2017年7月24日
    • 豆子 2017年7月25日
  16. LinWM 2017年7月24日
    • 豆子 2017年7月25日

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