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Qt的多线程编程

2023-05-16

Qt线程

基本概念

并发

当有多个线程在操作时，如果系统只有一个CPU，则它根本不可能真正同时进行一个以上的线程，它只能把CPU运行时间划分成若干个时间段，再将时间段分配给各个线程执行，在一个时间段的线程代码运行时，其他线程处于挂起状态。虽然看起来所有线程都是一起执行的，但是其实每个时间只有一个线程在执行，这种方式我们成为并发。

并行

当系统有一个以上CPU时，则线程的操作有可能非并发。当一个CPU执行一个线程时，另一个CPU可以执行另一个线程，两个线程互不抢占CPU资源，可以同时进行，这种方式我们称之为并行。因此，多核CPU可以同时执行多个进程。

为什么需要使用线程

例：给定需求计算一个复杂数据处理所花费的时间。我们有一个start按钮，和一个LCD显示时间，点击按钮开始计时并进行数据处理。

我们创建一个定时器。在start的槽函数中启动定时器，并进行数据处理，数据处理利用QThread::sleep(5)来模拟。定时器每次触发timeout信号，更新LCD数字。代码如下：

//widget.h
#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H

#include <QWidget>
#include <QTimer>
#include <QThread>

//利用定时器计算复杂计算花费的时间
namespace Ui {
class Widget;
}

class Widget : public QWidget
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit Widget(QWidget *parent = 0);
    ~Widget();

private slots:
    void on_pushButton_clicked();

private:
    Ui::Widget *ui;
    QTimer *_timer = new QTimer(this);
};

#endif // WIDGET_H

//widget.cpp
#include "widget.h"
#include "ui_widget.h"

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

    //只要定时器启动，自动触发timeout信号,每次触发timeout信号更新LCD显示
    connect(_timer, &QTimer::timeout, [=]() {
       static int i = 0;
       i++;
       ui->lcdNumber->display(i);
    });
}

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

void Widget::on_pushButton_clicked() {
    //如果定时器没有工作才启动
    if (_timer->isActive() == false) {
        _timer->start(100);
    }

    //非常复杂的数据处理，需要花费5s
    QThread::sleep(5);
}


//widget.ui

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ya1AvSrx-1662045421466)(C:\Users\84995\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1662018717956.png)]

运行结果发现，当数据处理结束5秒后，才开始计时。这样我们就不能计算数据处理所花费的时间了。这是为什么呢？

因为这是个单线程的程序，定时器计时和数据处理不是并行处理，而是数据处理结束之后才开始定时器计时。而如果我们使用多线程，则这两个任务可以同时执行，我们就可以得到数据处理所耗费的时间了。

使用多线程的好处

  • 使用多线程可以把占据长时间的任务放到后台去处理
  • 用户界面可以更加吸引人，例如用户点击了一个按键去触发某些事件的处理，可以弹出一个进度条来显示处理的进度。
  • 程序的运行可能加快。
  • 在一些等待的任务实现上如用户输入、文件读写和网络收发数据等，线程就比较有用了。在这种情况下我们可以释放一些珍贵的资源如内存占用等了。

什么时候该使用多线程

大多情况下，要用到多线程的主要是需要处理大量的IO操作时或处理的情况需要花费大量的时间等等。例如：

  • 读写文件
  • 视屏图像的采集、处理、显示、保存等

Qt4实现多线程的方法

Qt4实现多线程的方法

1.自定义一个线程类，继承于QThread

class MyThread : public QThread {
public:
    void run(); //线程处理函数（和主线程不在同一个线程，可以同时处理）

signals:
    void isDone(); //线程处理数据结束发送这个信号
}

2.主线程中启动子线程，开始并行处理。注意，主线程不能直接调用子线程的run函数，而需要通过子线程类的对象调用start()函数间接低矮用run()函数。

//主线程类中
MyThread *_thread = new MyThread(this);
_thread->start(); //通过子线程对象调用start间接调用子线程的run()函数

子线程的创建

还是以刚才的背景为例，我们准备求得复杂信号处理的时长。我们县创建一个子线程类MyThread.

注意以下几点：

  • void run()函数是protected继承的QThread的虚函数，它是线程处理函数实现的入口
  • run()函数不能直接调用，必须通过MyThread类实例化对象调用start()间接调用。
//MyThread.h
#ifndef MYTHREAD_H
#define MYTHREAD_H

#include <QThread>

class MyThread : public QThread
{
    Q_OBJECT
public:
    explicit MyThread(QObject *parent = nullptr);

signals:
    void isDone();

protected:
    //QThread的虚函数
    //线程处理函数
    //不能直接调用，通过start()间接调用
    void run(); //线程处理实现入口

public slots:
};

#endif // MYTHREAD_H

//MyThread.cpp
#include "mythread.h"

MyThread::MyThread(QObject *parent) : QThread(parent) {

}

void MyThread::run() {
    //复杂的数据处理，用sleep来模拟，大概耗费5s
    sleep(5);

    //处理结束，发送处理完成信号
    emit isDone();
}

主线程中调用子线程

注意：

  • 线程号是有限的，空闲的线程也会占用资源，我们使用完线程后也要将线程关闭。
  • 线程关闭可以用quit()函数来关闭，quit()会等待线程执行完当前工作再关闭线程。
  • 关闭完线程之后，需要回收线程资源，**通过wait()来回收线程资源。**类似于Linux回收进程资源的wait和waitpid。
//widget.h
#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H

#include <QWidget>
#include <QTimer>
#include <QThread>
#include <mythread.h>

//需求,点击start按钮，显示定时器时间
namespace Ui {
class Widget;
}

class Widget : public QWidget
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit Widget(QWidget *parent = 0);
    ~Widget();

public slots:
    void DealIsDone();

private slots:
    void on_pushButton_clicked();

private:
    Ui::Widget *ui;
    QTimer *_timer = new QTimer(this);
    MyThread *_thread = new MyThread(this);
};

#endif // WIDGET_H

//widget.cpp
#include "widget.h"
#include "ui_widget.h"

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

    //只要定时器启动，自动触发timeout信号,每次触发timeout信号更新LCD显示
    connect(_timer, &QTimer::timeout, [=]() {
       static int i = 0;
       i++;
       ui->lcdNumber->display(i);
    });

    //子线程数据处理结束会发送isDone信号，这时我们暂停定时器.
    connect(_thread, &MyThread::isDone, this, &Widget::DealIsDone);

}

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

//由于线程号是有限的，线程用完之后要将其关闭
void Widget::DealIsDone() {
    _timer->stop();
    //停止线程
    _thread->quit();
    //回收子进程资源
    _thread->wait();
}

void Widget::on_pushButton_clicked() {
    //如果定时器没有工作才启动
    if (_timer->isActive() == false) {
        _timer->start(100);
    }

    //启动子线程同时进行数据处理
    _thread->start();
}

这样，我们就可以LCD显示和数据处理同时进行，这样就可以知道数据处理的时间了。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cD4UYfUA-1662045421467)(C:\Users\84995\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1662024613522.png)]

Qt5实现多线程的方法

Qt5实现多线程的方法

例：背景是，我们将定时器写成子线程，然后主线程就用来显示LCD的值。

1.设定一个类，继承于QObject

2.类中设置一个线程函数（只有一个线程函数）

//MyThread
class MyThread : public QObject {
public:
    void myTimer() {
        while (1) {
            emit mySignal();
        }
    }
signals:
    void mySignal(); //类似定时器的timeout信号
    void startThread(); //启动线程信号
}

3.主线程中创建线程对象（不能指定父对象）

4.主线程中创建一个QThread子线程对象

5.把自定义线程类加入到子线程

6.启动子线程，并发射启动子线程信号

7.自定义线程函数通过与发射的子线程信号连接来实现子线程。（不能直接调用线程处理函数，直接调用线程处理函数，会导致线程处理函数和主线程在同一个线程，只能通过信号和槽的方式来调用）

子线程的创建

//mythread.h
#define MYTHREAD_H

#include <QObject>
#include <QThread>
#include <QDebug>

class MyThread : public QObject {
    Q_OBJECT
public:
    explicit MyThread(QObject *parent = nullptr);

    //线程处理函数
    void dealTimeOut();

    void setFlag(bool flag);
signals:
    void myTimeOut();
public slots:

private:
    bool _isStop = false;
};

#endif // MYTHREAD_H

//myThread.cpp
#include "mythread.h"

MyThread::MyThread(QObject *parent) : QObject(parent) {

}

void MyThread::dealTimeOut() {
    while (!_isStop) {
        //每隔1s发送一个信号
        QThread::sleep(1);
        emit myTimeOut();
        qDebug() << "子线程号：" << QThread::currentThread() << endl;
    }
}

void MyThread::setFlag(bool flag) {
    _isStop = flag;
}

主线程调用子线程

有以下注意事项：

  1. 分别创建子线程对象和自定义线程对象。注意自定义线程对象不能指定父类。
  2. 将自定义线程对象通过moveToThread函数移动到子线程对象中。
  3. 不能直接调用自定义线程运行函数，要调用自定义线程处理函数时，采用以下步骤:
    • 启动子线程
    • 主窗口发送启动线程的信号
    • 自定义线程要执行的处理函数作为槽函数被调用。
  4. 线程结束时，也要进行如下步骤：
    • 子线程调用quit()函数结束线程
    • 子线程调用wait回收子线程资源
    • 注意子线程未结束直接关闭主线程，子线程不会关闭，因此关闭主线程时也要把子线程关闭，并且由于自定义线程没有指定父对象，关闭时也要把自定义线程对象delete掉。
//widget.h
#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H

#include <QWidget>
#include "mythread.h"
#include <QThread>
#include <QDebug>

namespace Ui {
class Widget;
}

class Widget : public QWidget
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit Widget(QWidget *parent = 0);
    ~Widget();

     void dealSignal();

private slots:
    void on_pushButtonStart_clicked();

    void on_pushButtonStop_clicked();

signals:
    void startThread(); //启动子线程的信号

private:
    Ui::Widget *ui;
    //动态分配空间不能指定父对象
    MyThread *_myThread = new MyThread;

    //创建子线程，指定父对象
    QThread *_thread = new QThread(this);
};

#endif // WIDGET_H

//widget.cpp
#include "widget.h"
#include "ui_widget.h"

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

    //把自定义线程加入到子线程中
    _myThread->moveToThread(_thread);

    connect(this, &Widget::startThread, _myThread, &MyThread::dealTimeOut);
    connect(_myThread, &MyThread::myTimeOut, this, &Widget::dealSignal);
    connect(this, &Widget::destroyed, this, &Widget::on_pushButtonStop_clicked);
    qDebug() << "主线程号:" << QThread::currentThread() << endl;

}

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

void Widget::dealSignal() {
    static int i = 0;
    ui->lcdNumber->display(i++);
}

void Widget::on_pushButtonStart_clicked() {
    //启动线程，但没有启动线程处理函数
    _thread->start();
    _myThread->setFlag(false);
    //不能直接调用线程处理函数
    //直接调用，导致线程处理函数和主线程在同一个线程
//    _myThread->dealTimeOut();
    //只能通过信号与槽的方式来调用
    emit startThread();
}

void Widget::on_pushButtonStop_clicked() {
    _myThread->setFlag(true);
    _thread->quit();
    _thread->wait();
}

connect()的第五个参数的作用

connect()第五个参数的作用，连接方式：默认，队列，直接，第五个参数只有在多线程时才有意义。

  • 如果是多线程，默认使用队列方式
  • 如果是单线程，默认使用直接方式
  • 队列：槽函数所在的线程和接受者一样。
  • 直接：槽函数所在线程和发送者一样。

线程画图

子线程不能操作图形界面，主要用于后台运行，进行数据处理使用。

背景：子线程用于画图，主线程每次点击画图按钮，更新子线程画的图形

子线程的创建

子线程画完图之后，发射更新图片信号，将画好的图片通过信号传送出去。

//mythread.h
#ifndef MYTHREAD_H
#define MYTHREAD_H

#include <QObject>
#include <QPainter>
#include <QImage>
#include <QBrush>

class MyThread : public QObject {
    Q_OBJECT
public:
    explicit MyThread(QObject *parent = nullptr);

    //线程处理函数
    void drawImage();

signals:
    void updateImage(QImage img);

public slots:

};

#endif // MYTHREAD_H

//mythread.cpp
#include "mythread.h"

MyThread::MyThread(QObject *parent) : QObject(parent) {

}

//线程处理函数
void MyThread::drawImage() {
    //定义QImage绘图设备
    QImage image(500, 500, QImage::Format_ARGB32);
    //定义画家，指定绘图设备
    QPainter painter(&image);

    //定义画笔对象
    QPen pen;
    pen.setWidth(5);
    painter.setPen(pen);

    //定义画刷对象
    QBrush brush;
    brush.setColor(Qt::blue);
    brush.setStyle(Qt::Dense1Pattern);
    painter.setBrush(brush);

    //定义5个点
    QPoint a[5] {
        QPoint(qrand() % 500, qrand() % 500),
        QPoint(qrand() % 500, qrand() % 500),
        QPoint(qrand() % 500, qrand() % 500),
        QPoint(qrand() % 500, qrand() % 500),
        QPoint(qrand() % 500, qrand() % 500)
    };


    painter.drawPolygon(a, 5);

    //通过信号发送图片
    emit updateImage(image);

}

主线程调用子线程

主线程调用子线程步骤如下：

  1. 创建子线程对象和自定义函数处理对象。并将自定义函数处理对象moveToThread到创建出的子线程中。
  2. 开启子线程，_thread->start(),并通过connect连接线程处理函数。
  3. 子线程处理函数处理结束后，发送处理结束信号updateImage,主线程接受这个信号，并将接收到的图片画到设备上。
  4. 关闭子线程。
//widget.h
#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H

#include <QWidget>
#include <QPaintEvent>
#include <QPainter>
#include <mythread.h>
#include <QThread>

namespace Ui {
class Widget;
}

class Widget : public QWidget {
    Q_OBJECT

public:
    explicit Widget(QWidget *parent = 0);
    ~Widget();

    //重写绘图事件
    void paintEvent(QPaintEvent *event);

public slots:
    void slotGetImage(QImage img);

    void slotClose(); //窗口关闭槽函数

private:
    Ui::Widget *ui;
    QImage _image;
    MyThread *_myThread = new MyThread;
    QThread *_thread = new QThread(this);
};

#endif // WIDGET_H

//widget.cpp
#include "widget.h"
#include "ui_widget.h"

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

    //将自定义模块添加到子线程
    _myThread->moveToThread(_thread);

    //启动子线程，但是并没有启动线程处理函数
    _thread->start();

    //线程处理函数，必须通过signal-slot调用
    //drawImage槽函数和接受者_myThread在同一个子线程，而_myThread在子线程_thread中，因此就连接到了子线程。
    connect(ui->pushButton, &QPushButton::clicked, _myThread, &MyThread::drawImage);
    connect(_myThread, &MyThread::updateImage, this, &Widget::slotGetImage);
    connect(this, &Widget::destroyed, this, &Widget::slotClose);
}

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

void Widget::paintEvent(QPaintEvent *event) {
    QPainter painter(this); //指定绘图设备为窗口
    painter.drawImage(50, 50, _image);
}

void Widget::slotGetImage(QImage img) {
    _image = img;
    update(); //更新窗口，间接调用paintEvent
}

void Widget::slotClose() {
    //结束线程
    _thread->quit();
    //回收线程资源
    _thread->wait();
    //销毁自定义线程类对象
    delete _myThread;
}
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