Qt 进程和线程之四：线程实际应用

为了让程序尽快响应用户操作，在开发应用程序时经常会使用到线程。对于耗时操作如果不使用线程，UI界面将会长时间处于停滞状态，这种情况是用户非常不愿意看到的，我们可以用线程来解决这个问题。

大多数情况下，多线程耗时操作会与UI进行交互，比如：显示进度、加载等待。。。让用户明确知道目前的状态，并对结果有一个直观的预期，甚至有趣巧妙的设计，能让用户爱上等待，把等待看成一件很美好的事。


一、多线程操作UI界面的示例

下面，是一个使用多线程操作UI界面的示例 - 更新进度条，采用子类化QThread的方式。与此同时，分享在此过程中有可能遇到的问题及解决方法。


首先创建QtGui应用，工程名称为“myThreadBar”，类名选择“QMainWindow”，其他选项保持默认即可。再添加一个名称为WorkerThread的头文件，定义一个WorkerThread类，让其继承自QThread，并重写run()函数，修改workerthread.h文件如下：

#ifndef WORKERTHREAD_H
#define WORKERTHREAD_H

#include <QThread>
#include <QDebug>

class WorkerThread : public QThread
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit WorkerThread(QObject *parent = 0)
        : QThread(parent)
    {
        qDebug() << "Worker Thread : " << QThread::currentThreadId();
    }

protected:
    virtual void run() Q_DECL_OVERRIDE
    {
        qDebug() << "Worker Run Thread : " << QThread::currentThreadId();
        int nValue = 0;
        while (nValue < 100)
        {
            // 休眠50毫秒
            msleep(50);
            ++nValue;

            // 准备更新
            emit resultReady(nValue);
        }
    }

signals:
    void resultReady(int value);
};

#endif // WORKERTHREAD_H

通过在run()函数中调用msleep(50)，线程会每隔50毫秒让当前的进度值加1，然后发射一个resultReady()信号，其余时间什么都不做。在这段空闲时间，线程不占用任何的系统资源。当休眠时间结束，线程就会获得CPU时钟，将继续执行它的指令。


再在mainwindow.ui上添加一个按钮和进度条部件，然后mainwindow.h修改如下：

#ifndef MAINWINDOW_H
#define MAINWINDOW_H

#include <QMainWindow>
#include "workerthread.h"

namespace Ui {
class MainWindow;
}

class MainWindow : public QMainWindow
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit MainWindow(QWidget *parent = nullptr);
    ~MainWindow();

private slots:
    // 更新进度
    void handleResults(int value);

    // 开启线程
    void startThread();

private:
    Ui::MainWindow *ui;

    WorkerThread m_workerThread;
};

#endif // MAINWINDOW_H

然后mainwindow.cpp修改如下：

#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) :
    QMainWindow(parent),
    ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);
        
	qDebug() << "Main Thread : " << QThread::currentThreadId();        

    // 连接信号槽
    this->connect(ui->pushButton, SIGNAL(clicked(bool)), this, SLOT(startThread()));
}

MainWindow::~MainWindow()
{
    delete ui;
}

void MainWindow::handleResults(int value)
{
    qDebug() << "Handle Thread : " << QThread::currentThreadId();
    ui->progressBar->setValue(value);
}

void MainWindow::startThread()
{
    WorkerThread *workerThread = new WorkerThread(this);
    this->connect(workerThread, SIGNAL(resultReady(int)), this, SLOT(handleResults(int)));
    // 线程结束后，自动销毁
    this->connect(workerThread, SIGNAL(finished()), workerThread, SLOT(deleteLater()));
    workerThread->start();
}

由于信号与槽连接类型默认为“Qt::AutoConnection”，在这里相当于“Qt::QueuedConnection”。也就是说，槽函数在接收者的线程（主线程）中执行。


执行程序，“应用程序输出”窗口输出如下：

Main Thread :  0x3140
Worker Thread :  0x3140
Worker Run Thread :  0x2588
Handle Thread :  0x3140

显然，UI界面、Worker构造函数、槽函数处于同一线程（主线程），而run()函数处于另一线程（次线程）。


二、避免多次connect

当多次点击“开始”按钮的时候，就会多次connect()，从而启动多个线程，同时更新进度条。为了避免这个问题，我们先在mainwindow.h上添加私有成员变量"WorkerThread m_workerThread;"，然后修改mainwindow.cpp如下：

#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) :
    QMainWindow(parent),
    ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);

    // 连接信号槽
    this->connect(ui->pushButton, SIGNAL(clicked(bool)), this, SLOT(startThread()));

    this->connect(&m_workerThread, SIGNAL(resultReady(int)), this, SLOT(handleResults(int)));
}

MainWindow::~MainWindow()
{
    delete ui;
}

void MainWindow::handleResults(int value)
{
    qDebug() << "Handle Thread : " << QThread::currentThreadId();
    ui->progressBar->setValue(value);
}

void MainWindow::startThread()
{
    if (!m_workerThread.isRunning())
        m_workerThread.start();
}

不再在startThread()函数内创建WorkerThread对象指针，而是定义私有成员变量，再将connect添加在构造函数中，保证了信号槽的正常连接。在线程start()之前，可以使用isFinished()和isRunning()来查询线程的状态，判断线程是否正在运行，以确保线程的正常启动。


三、优雅地结束线程的两种方法

如果一个线程运行完成，就会结束。可很多情况并非这么简单，由于某种特殊原因，当线程还未执行完时，我们就想中止它。

不恰当的中止往往会引起一些未知错误。比如：当关闭主界面的时候，很有可能次线程正在运行，这时，就会出现如下提示：

QThread: Destroyed while thread is still running

这是因为次线程还在运行，就结束了UI主线程，导致事件循环结束。这个问题在使用线程的过程中经常遇到，尤其是耗时操作。大多数情况下，当程序退出时，次线程也许会正常退出。这时，虽然抱着侥幸心理，但隐患依然存在，也许在极少数情况下，就会出现Crash。

所以，我们应该采取合理的措施来优雅地结束线程，一般思路：

  1. 发起线程退出操作，调用quit()或exit()。
  2. 等待线程完全停止，删除创建在堆上的对象。
  3. 适当的使用wait()（用于等待线程的退出）和合理的算法。

方法一

这种方式是Qt4.x中比较常用的，主要是利用“QMutex互斥锁 + bool成员变量”的方式来保证共享数据的安全性。在workerthread.h上继续添加互斥锁、析构函数和stop()函数，修改如下：

#ifndef WORKERTHREAD_H
#define WORKERTHREAD_H

#include <QThread>
#include <QMutexLocker>
#include <QDebug>

class WorkerThread : public QThread
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit WorkerThread(QObject *parent = 0)
        : QThread(parent),
          m_bStopped(false)
    {
        qDebug() << "Worker Thread : " << QThread::currentThreadId();
    }

    ~WorkerThread()
    {
        stop();
        quit();
        wait();
    }

    void stop()
    {
        qDebug() << "Worker Stop Thread : " << QThread::currentThreadId();
        QMutexLocker locker(&m_mutex);
        m_bStopped = true;
    }

protected:
    virtual void run() Q_DECL_OVERRIDE 
    {
        qDebug() << "Worker Run Thread : " << QThread::currentThreadId();
        int nValue = 0;
        while (nValue < 100)
        {
            // 休眠50毫秒
            msleep(50);
            ++nValue;

            // 准备更新
            emit resultReady(nValue);

            // 检测是否停止
            {
                QMutexLocker locker(&m_mutex);
                if (m_bStopped)
                    break;
            }
            // locker超出范围并释放互斥锁
        }
    }
    
signals:
    void resultReady(int value);

private:
    bool m_bStopped;
    QMutex m_mutex;
};

#endif // WORKERTHREAD_H

当主窗口被关闭，其“子对象”WorkerThread也会析构调用stop()函数，使m_bStopped变为true，则break跳出循环结束run()函数，结束进程。当主线程调用stop()更新m_bStopped的时候，run()函数也极有可能正在访问它（这时，他们处于不同的线程），所以存在资源竞争，因此需要加锁，保证共享数据的安全性。

为什么要加锁？

很简单，是为了共享数据段操作的互斥。避免形成资源竞争的情况（多个线程有可能访问同一共享资源的情况）。


方法二

  • Qt5以后，可以使用requestInterruption()、isInterruptionRequested()这两个函数，使用很方便，修改workerthread.h文件如下：
#ifndef WORKERTHREAD_H
#define WORKERTHREAD_H

#include <QThread>
#include <QMutexLocker>
#include <QDebug>

class WorkerThread : public QThread
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit WorkerThread(QObject *parent = nullptr)
        : QThread(parent)
    {
        qDebug() << "Worker Thread : " << QThread::currentThreadId();
    }

    ~WorkerThread()
    {
        // 请求终止
        requestInterruption();
        quit();
        wait();
    }

protected:
    virtual void run() Q_DECL_OVERRIDE
    {
        qDebug() << "Worker Run Thread : " << QThread::currentThreadId();
        int nValue = 0;

        // 是否请求终止
        while (!isInterruptionRequested())
        {
            while (nValue < 100)
            {
                // 休眠50毫秒
                msleep(50);
                ++nValue;

                // 准备更新
                emit resultReady(nValue);
            }
        }

    }
signals:
    void resultReady(int value);
};

#endif // WORKERTHREAD_H

在耗时操作中使用isInterruptionRequested()来判断是否请求终止线程，如果没有，则一直运行；当希望终止线程的时候，调用requestInterruption()即可。这两个函数内部也使用了互斥锁QMutex。


Qt 之 QThread（深入理解）


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