Qt5.14.2 深入理解Qt多线程编程，掌握线程池架构实现高效并发

在高并发的软件系统中，多线程编程是解决性能瓶颈和提高系统吞吐量的有效手段。作为跨平台的应用程序开发框架，Qt为我们提供了强大的多线程支持。本文将深入探讨Qt多线程编程的实现细节，并介绍线程池的设计思想，帮助读者彻底掌握Qt多线程编程技巧。

一、Qt的两种多线程实现方式剖析

Qt中实现多线程编程主要有两种方式：重写QThread类的run()函数和使用信号与槽。

1、重写QThread的run()函数

这种方式需要继承QThread类并重写虚函数run()，将需要并发执行的代码逻辑放在run()函数中。例如:

class WorkThread : public QThread {
public:
    void run() override {
        //并发执行的代码
        qDebug() << "Current thread:" << QThread::currentThreadId();
        //执行耗时操作
        heavyWorkLoad();
    }
};

在主线程中，我们只需创建WorkThread对象并调用start()即可启动新线程:

WorkThread *worker = new WorkThread;
worker->start();

这种方法的优点是直观简单，缺点是run()函数作为线程执行体只能有一个入口，不太适合处理多个工作单元并发执行的场景。

2、使用信号与槽方式

Qt的信号与槽机制也可以用于实现多线程编程，它的思路是:

（1）、创建QThread对象作为新线程

（2）、创建执行体对象，并使用QObject::moveToThread()将其移动到新线程

（3）、在主线程通过连接信号与槽的方式，间接调用执行体对象的槽函数，从而启动新线程中的任务

具体代码如下:

//ExecutionBody.h
class ExecutionBody : public QObject {
    Q_OBJECT
public slots:
    void execution() {
        //并发执行的代码  
        qDebug() << "Executing in thread" << QThread::currentThreadId();
        heavyWorkLoad();
    }
};

//main.cpp
int main() {
    QThread *worker = new QThread;
    ExecutionBody *body = new ExecutionBody;
    body->moveToThread(worker);
    
    QObject::connect(worker， &QThread::started， body， &ExecutionBody::execution);
    worker->start();
    
    return app.exec();
}

相比第一种方法，信号与槽方式支持在新线程中执行多个函数，更加灵活。但也相对复杂一些，开发者需要清晰地理解信号连接、事件循环等概念。

二、突破瓶颈，构建高效线程池

前面介绍了Qt的基本多线程实现方式，不过在实际项目中，如果只是简单地启动固定数量的线程，可能会面临以下问题:

（1）、线程的创建和销毁代价较高

（2）、线程数量太多，会加重系统的线程调度开销

（3）、大量线程空转，造成CPU资源浪费

为了解决这些问题，我们需要引入线程池的概念，将闲置的线程资源统一管理和调度，避免频繁创建和销毁线程。Qt提供了QThreadPool类实现了这一机制。

1、QThreadPool设计原理

QThreadPool内部管理了一组工作线程(工作者线程)，当有任务投递时，线程池会将任务分配给空闲的工作线程执行，避免频繁创建和销毁线程。此外，QThreadPool还支持设置活跃线程数上限，在线程全部忙碌时也不会盲目创建新的工作线程，从而避免过度占用系统资源。

QThreadPool采用信号与槽的方式将任务分发给工作线程。具体来说，当我们调用QThreadPool::start()投递任务时，QThreadPool会为任务创建一个QRunnable对象，并通过内部信号连接到某个工作线程，由工作线程执行QRunnable的run()函数。

2、QThreadPool使用示例

下面通过一个简单的例子展示如何使用QThreadPool:

//WorkerTask.h
class WorkerTask : public QRunnable {
public:
    void run() override {
        //执行任务逻辑
        qDebug() << "Executing task in thread" << QThread::currentThreadId();
        heavyWorkLoad();
    }
};

//main.cpp 
int main() {
    QThreadPool *pool = QThreadPool::globalInstance();
    
    //设置最大线程数
    pool->setMaxThreadCount(QThread::idealThreadCount());
    
    //投递任务
    for(int i=0; i<200; ++i) {  
        WorkerTask *task = new WorkerTask;
        pool->start(task);
    }

    return app.exec();
}

这个示例首先获取全局QThreadPool实例，并设置最大工作线程数为当前系统的理想线程数(通常为CPU核心数)。然后循环构建WorkerTask对象并调用QThreadPool::start()投递，线程池会自动将任务分发给空闲的线程执行。

需要注意的是，QThreadPool默认采用栈内存管理QRunnable对象，也就是说在QRunnable的run()函数执行完毕后，QThreadPool会自动销毁对象。如果我们需要在run()函数执行完毕后继续访问QRunnable对象的数据成员，应该设置QThreadPool的stackSize属性(即将对象放在堆内存分配)。

三、多线程开发中的注意事项

尽管QThreadPool大大简化了多线程编程流程，但在实际开发中，我们仍需注意一些潜在的安全隐患和性能风险:

1、线程间数据访问安全

当多个线程并发访问同一份数据时，很容易出现竞态条件。Qt提供了QMutex、QSemaphore、QReadWriteLock等同步原语类，我们可以利用它们来保护线程间共享数据的完整性。

另外，Qt还提供了QAtomicInteger和QAtomicPointer等原子操作类，能够确保基础数据类型的读写操作的原子性。对于简单的计数、状态位的读写，使用原子操作类可以避免加锁开销。

2、任务队列控制策略

使用QThreadPool虽然能避免频繁创建销毁线程，但如果任务投递过多且执行时间过长，任务队列会持续积压，可能导致响应延迟或内存占用過高。

因此，我们需要对任务队列的长度作出合理控制。QThreadPool提供了两个相关的API:

QThreadPool::reserveThread()可以为高优先级任务预留线程资源
QThreadPool::setMaxThreadCount()可以动态调整线程池的最大线程数

我们可以在投递任务前检查当前队列长度，对于优先级较高的任务使用reserveThread()保留资源，对于优先级较低的任务可以选择延迟投递或动态增加线程池大小。

3、避免死锁

在多线程编程中，如果多个线程互相持有对方所需要的锁资源，就会发生死锁。例如下面的代码:

QMutex mutex1， mutex2;

//线程1
mutex1.lock(); 
...
mutex2.lock(); //阻塞

//线程2  
mutex2.lock();
...
mutex1.lock(); //阻塞

避免死锁的一个常用策略是:对所有需要加锁的代码采用统一的加锁顺序，每个线程按相同顺序申请锁。

4、减少线程切换开销

线程切换是一个非常耗时的操作，会带来较大的性能开销。我们应该尽量减少线程切换的发生，例如:

将密集计算的代码块集中在一个或几个线程中，避免在多个线程间切换
避免线程中的循环中阻塞操作(如休眠、加锁等)，这会使该线程长时间占用CPU
采用无锁编程，利用原子操作和内存屏障指令实现线程安全操作

通过本文的介绍，希望你能够加深对Qt多线程编程的理解，在实际开发中合理使用多线程，提高应用程序的整体性能。下一篇文章将为你带来更多实战案例，进一步展示Qt多线程编程的实践技巧。