Qt 学习之路 2(75):线程总结

前面我们已经详细介绍过有关线程的一些值得注意的事项。现在我们开始对线程做一些总结。

有关线程,你可以做的是:

  • QThread子类添加信号。这是绝对安全的,并且也是正确的(前面我们已经详细介绍过,发送者的线程依附性没有关系)


不应该做的是:

  • 调用moveToThread(this)函数
  • 指定连接类型:这通常意味着你正在做错误的事情,比如将QThread控制接口与业务逻辑混杂在了一起(而这应该放在该线程的一个独立对象中)
  • QThread子类添加槽函数:这意味着它们将在错误的线程被调用,也就是QThread对象所在线程,而不是QThread对象管理的线程。这又需要你指定连接类型或者调用moveToThread(this)函数
  • 使用QThread::terminate()函数

不能做的是:

  • 在线程还在运行时退出程序。使用QThread::wait()函数等待线程结束
  • QThread对象所管理的线程仍在运行时就销毁该对象。如果你需要某种“自行销毁”的操作,你可以把finished()信号同deleteLater()槽连接起来

那么,下面一个问题是:我什么时候应该使用线程?

首先,当你不得不使用同步 API 的时候。

如果你需要使用一个没有非阻塞 API 的库或代码(所谓非阻塞 API,很大程度上就是指信号槽、事件、回调等),那么,避免事件循环被阻塞的解决方案就是使用进程或者线程。不过,由于开启一个新的工作进程,让这个进程去完成任务,然后再与当前进程进行通信,这一系列操作的代价都要比开启线程要昂贵得多,所以,线程通常是最好的选择。

一个很好的例子是地址解析服务。注意我们这里并不讨论任何第三方 API,仅仅假设一个有这样功能的库。这个库的工作是将一个主机名转换成地址。这个过程需要去到一个系统(也就是域名系统,Domain Name System, DNS)执行查询,这个系统通常是一个远程系统。一般这种响应应该瞬间完成,但是并不排除远程服务器失败、某些包可能会丢失、网络可能失去链接等等。简单来说,我们的查询可能会等几十秒钟。

UNIX 系统上的标准 API 是阻塞的(不仅是旧的gethostbyname(3),就连新的getservbyname(3)getaddrinfo(3)也是一样)。Qt 提供的QHostInfo类同样用于地址解析,默认情况下,内部使用一个QThreadPool提供后台运行方式的查询(如果关闭了 Qt 的线程支持,则提供阻塞式 API)。

另外一个例子是图像加载和缩放。QImageReaderQImage只提供了阻塞式 API,允许我们从设备读取图片,或者是缩放到不同的分辨率。如果你需要处理很大的图像,这种任务会花费几十秒钟。

其次,当你希望扩展到多核应用的时候。

线程允许你的程序利用多核系统的优势。每一个线程都可以被操作系统独立调度,如果你的程序运行在多核机器上,调度器很可能会将每一个线程分配到各自的处理器上面运行。

举个例子,一个程序需要为很多图像生成缩略图。一个具有固定 n 个线程的线程池,每一个线程交给系统中的一个可用的 CPU 进行处理(我们可以使用QThread::idealThreadCount()获取可用的 CPU 数)。这样的调度将会把图像缩放工作交给所有线程执行,从而有效地提升效率,几乎达到与 CPU 数的线性提升(实际情况不会这么简单,因为有时候 CPU 并不是瓶颈所在)。

第三,当你不想被别人阻塞的时候。

这是一个相当高级的话题,所以你现在可以暂时不看这段。这个问题的一个很好的例子是在 WebKit 中使用QNetworkAccessManager。WebKit 是一个现代的浏览器引擎。它帮助我们展示网页。Qt 中的QWebView就是使用的 WebKit。

QNetworkAccessManager则是 Qt 处理 HTTP 请求和响应的通用类。我们可以将它看做浏览器的网络引擎。在 Qt 4.8 之前,这个类没有使用任何协助工作线程,所有的网络处理都是在QNetworkAccessManager及其QNetworkReply所在线程完成。

虽然在网络处理中不使用线程是一个好主意,但它也有一个很大的缺点:如果你不能及时从 socket 读取数据,内核缓冲区将会被填满,于是开始丢包,传输速度将会直线下降。

socket 活动(也就是从一个 socket 读取一些可用的数据)是由 Qt 的事件循环管理的。因此,阻塞事件循环将会导致传输性能的损失,因为没有人会获得有数据可读的通知,因此也就没有人能够读取这些数据。

但是什么会阻塞事件循环?最坏的答案是:WebKit 自己!只要收到数据,WebKit 就开始生成网页布局。不幸的是,这个布局的过程非常复杂和耗时,因此它会阻塞事件循环。尽管阻塞时间很短,但是足以影响到正常的数据传输(宽带连接在这里发挥了作用,在很短时间内就可以塞满内核缓冲区)。

总结一下上面所说的内容:

  • WebKit 发起一次请求
  • 从服务器响应获取一些数据
  • WebKit 利用到达的数据开始进行网页布局,阻塞事件循环
  • 由于事件循环被阻塞,也就没有了可用的事件循环,于是操作系统接收了到达的数据,但是却不能从QNetworkAccessManager的 socket 读取
  • 内核缓冲区被填满,传输速度变慢

网页的整体加载时间被自身的传输速度的降低而变得越来越坏。

注意,由于QNetworkAccessManagerQNetworkReply都是QObject,所以它们都不是线程安全的,因此你不能将它们移动到另外的线程继续使用。因为它们可能同时有两个线程访问:你自己的和它们所在的线程,这是因为派发给它们的事件会由后面一个线程的事件循环发出,但你不能确定哪一线程是“后面一个”。

Qt 4.8 之后,QNetworkAccessManager默认会在一个独立的线程处理 HTTP 请求,所以导致 GUI 失去响应以及操作系统缓冲区过快填满的问题应该已经被解决了。

那么,什么情况下不应该使用线程呢?

定时器

这可能是最容易误用线程的情况了。如果我们需要每隔一段时间调用一个函数,很多人可能会这么写代码:

// 最错误的代码
while (condition) {
    doWork();
    sleep(1); // C 库里面的 sleep(3) 函数
}

当读过我们前面的文章之后,可能又会引入线程,改成这样的代码:

// 错误的代码
class Thread : public QThread {
protected:
    void run() {
        while (condition) {
            // 注意,如果我们要在别的线程修改 condition,那么它也需要加锁
            doWork();
            sleep(1); // 这次是 QThread::sleep()
        }
    }
};

最好最简单的实现是使用定时器,比如QTimer,设置 1s 超时,然后将doWork()作为槽:

class Worker : public QObject
{
Q_OBJECT
public:
    Worker()
    {
        connect(&timer, SIGNAL(timeout()), this, SLOT(doWork()));
        timer.start(1000);
    }
private slots:
    void doWork()
    {
        /* ... */
    }
private:
    QTimer timer;
};

我们所需要的就是开始事件循环,然后每隔一秒doWork()就会被自动调用。

网络/状态机

下面是一个很常见的处理网络操作的设计模式:

socket->connect(host);
socket->waitForConnected();

data = getData();
socket->write(data);
socket->waitForBytesWritten();

socket->waitForReadyRead();
socket->read(response);

reply = process(response);

socket->write(reply);
socket->waitForBytesWritten();
/* ... */

在经过前面几章的介绍之后,不用多说,我们就会发现这里的问题:大量的waitFor*()函数会阻塞事件循环,冻结 UI 界面等等。注意,上面的代码还没有加入异常处理,否则的话肯定会更复杂。这段代码的错误在于,我们的网络实际是异步的,如果我们非得按照同步方式处理,就像拿起枪打自己的脚。为了解决这个问题,很多人会简单地将这段代码移动到一个新的线程。

一个更抽象的例子是:

result = process_one_thing();

if (result->something()) {
    process_this();
} else {
    process_that();
}

wait_for_user_input();
input = read_user_input();
process_user_input(input);
/* ... */

这段抽象的代码与前面网络的例子有“异曲同工之妙”。

让我们回过头来看看这段代码究竟是做了什么:我们实际是想创建一个状态机,这个状态机要根据用户的输入作出合理的响应。例如我们网络的例子,我们实际是想要构建这样的东西:

空闲 → 正在连接(调用connectToHost())
正在连接 → 成功连接(发出connected()信号)
成功连接 → 发送登录数据(将登录数据发送到服务器)
发送登录数据 → 登录成功(服务器返回 ACK)
发送登录数据 → 登录失败(服务器返回 NACK)

以此类推。

既然知道我们的实际目的,我们就可以修改代码来创建一个真正的状态机(Qt 甚至提供了一个状态机类:QStateMachine)。创建状态机最简单的方法是使用一个枚举来记住当前状态。我们可以编写如下代码:

class Object : public QObject
{
    Q_OBJECT
    enum State {
        State1, State2, State3 /* ... */
    };
    State state;
public:
    Object() : state(State1)
    {
        connect(source, SIGNAL(ready()), this, SLOT(doWork()));
    }
private slots:
    void doWork() {
        switch (state) {
        case State1:
            /* ... */
            state = State2;
            break;
        case State2:
            /* ... */
            state = State3;
            break;
        /* ... */
        }
    }
};

source对象是哪来的?这个对象其实就是我们关心的对象:例如,在网络的例子中,我们可能希望把 socket 的QAbstractSocket::connected()或者QIODevice::readyRead()信号与我们的槽函数连接起来。当然,我们很容易添加更多更合适的代码(比如错误处理,使用QAbstractSocket::error()信号就可以了)。这种代码是真正异步、信号驱动的设计。

将任务分割成若干部分

假设我们有一个很耗时的计算,我们不能简单地将它移动到另外的线程(或者是我们根本无法移动它,比如这个任务必须在 GUI 线程完成)。如果我们将这个计算任务分割成小块,那么我们就可以及时返回事件循环,从而让事件循环继续派发事件,调用处理下一个小块的函数。回一下如何实现队列连接,我们就可以轻松完成这个任务:将事件提交到接收对象所在线程的事件循环;当事件发出时,响应函数就会被调用。

我们可以使用QMetaObject::invokeMethod()函数,通过指定Qt::QueuedConnection作为调用类型来达到相同的效果。不过这要求函数必须是内省的,也就是说这个函数要么是一个槽函数,要么标记有Q_INVOKABLE宏。如果我们还需要传递参数,我们需要使用qRegisterMetaType()函数将参数注册到 Qt 元类型系统。下面是代码示例:

class Worker : public QObject
{
    Q_OBJECT
public slots:
    void startProcessing()
    {
        processItem(0);
    }

    void processItem(int index)
    {
        /* 处理 items[index] ... */
        if (index < numberOfItems) {
            QMetaObject::invokeMethod(this,
                                      "processItem",
                                      Qt::QueuedConnection,
                                      Q_ARG(int, index + 1));
        }
    }
};

由于没有任何线程调用,所以我们可以轻易对这种计算任务执行暂停/恢复/取消,以及获取结果。

至此,我们利用五个章节将有关线程的问题简单介绍了下。线程应该说是全部设计里面最复杂的部分之一,所以这部分内容也会比较困难。在实际运用中肯定会更多的问题,这就只能让我们具体分析了。

16 Comments

  1. naifa 2013年12月12日
  2. lzihua 2013年12月13日
    • 豆子 2013年12月14日
  3. lauthor 2013年12月24日
  4. hejia 2014年1月3日
    • 豆子 2014年1月4日
  5. datde 2014年6月8日
  6. datde 2014年6月8日
    • 豆子 2014年6月12日
  7. ngz 2014年7月29日
    • 豆子 2014年7月29日
  8. Lhg 2014年8月14日
  9. liminyan 2016年9月4日
    • 豆子 2016年9月5日
  10. luxuriance 2017年5月15日
    • 豆子 2017年5月17日

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