Qt多线程技术【线程池】：QRunnable 和 QThreadPool

在现代软件开发中，尤其是在处理大量并发任务时，线程池技术是一种高效的解决方案。线程池不仅能提高程序的性能，还能有效管理线程的生命周期，避免频繁的线程创建和销毁所带来的性能损失。本文将以Qt中的 QThreadPool 和 QRunnable 为核心，通过具体代码实例来讲解线程池技术的应用及其工作原理。

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线程池概述

线程池（ThreadPool）是一种用于管理和复用线程的技术。在多线程编程中，我们经常需要处理大量的小任务，频繁地创建和销毁线程会带来性能上的开销。线程池通过预先创建一定数量的线程来处理任务，任务完成后线程会被返回到线程池中等待下一次使用，从而避免了创建新线程的开销。

线程池可以根据任务量动态地调整线程的数量，保持一定数量的线程处于空闲状态，并且通过合理调度任务来提高并发执行的效率。

Qt为我们提供了 QThreadPool 和 QRunnable 类来轻松实现线程池机制。通过这两个类，开发者可以更简便地管理线程，并将复杂的并发任务拆分为小的可执行任务交给线程池去处理。

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QRunnable 类解析

在Qt中，QRunnable 是一个用于表示线程池任务的基类。它并不像 QThread 那样直接创建和管理线程，而是通过将任务提交给 QThreadPool 来实现多线程工作。QRunnable 的主要作用是将任务封装成可执行的单元，每个 QRunnable 对象都会有一个 run() 方法，该方法定义了任务执行的具体操作。

QRunnable 提供了以下几个重要方法：

• run(): 这是 QRunnable 类中的纯虚函数，用于定义任务的执行逻辑。开发者需要重写此方法，来描述任务的行为。
• setAutoDelete(): 该方法允许在任务完成后自动删除该任务对象。这在使用 QThreadPool 时非常有用，可以避免内存泄漏。
• setPriority(): 可以设置任务的优先级，QRunnable 支持通过此方法将任务分配不同的优先级。

QThreadPool 类解析

QThreadPool 类是Qt中的线程池实现类，负责管理并调度多个线程。QThreadPool 提供了线程池的创建、线程的管理和任务的调度等功能。开发者可以通过 QThreadPool 提交多个任务，并且线程池会自动分配线程来执行这些任务。

QThreadPool 提供了以下几个常用的方法：

• globalInstance(): 返回一个全局的线程池实例，通常用于获取默认的线程池。
• start(QRunnable *runnable): 向线程池中提交任务，线程池会根据当前线程的空闲情况分配线程来执行该任务。
• waitForDone(): 阻塞等待线程池中的所有任务执行完成。这在某些场景下非常有用，例如需要确保所有任务都完成后再继续执行下一步操作。
• setMaxThreadCount(): 设置线程池中最大线程数，防止系统资源过度消耗。

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线程池技术的优势

1. 减少开销：频繁创建和销毁线程会带来额外的开销。线程池通过复用线程，避免了这种性能浪费。
2. 线程管理自动化：开发者不需要手动管理线程的创建、销毁等操作，线程池自动处理线程的生命周期。
3. 避免资源浪费：通过动态调整线程池的大小，可以根据负载动态增加或减少线程数量，避免线程资源过度消耗。
4. 高效并行执行：线程池可以同时执行多个任务，特别适用于需要处理大量短小任务的场景。

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代码实现：使用 QThreadPool 和 QRunnable

为了更好地理解线程池的应用，我们提供了一个简单的Qt程序示例，展示如何使用 QThreadPool 和 QRunnable 类来处理并发任务。

头文件：worker.h

#ifndef WORKER_H
#define WORKER_H

#include <QRunnable>  // 用于创建线程任务
#include <QString>
#include <QDebug>
#include <QThread>


#define tc(a) QString::fromLocal8Bit(a)

// 工作任务类，继承自QRunnable
class Worker : public QRunnable
{
public:
    Worker(const QString &taskName, int retryCount = 3);  // 构造函数，传入任务名称和重试次数
    void run() override;  // 线程池中的任务执行逻辑

private:
    QString m_taskName;  // 任务名称
    int m_retryCount;    // 任务失败时的最大重试次数

    bool executeTask();  // 执行任务的模拟方法
};

#endif // WORKER_H

源文件：worker.cpp

#include "worker.h"
#include <QThread>
#include <QRandomGenerator>

// 构造函数，初始化任务名称和重试次数，设置任务自动删除
Worker::Worker(const QString &taskName, int retryCount)
    : m_taskName(taskName), m_retryCount(retryCount)
{
    setAutoDelete(true);  // 设置自动删除任务
}

// 重写run函数，线程池中的任务执行逻辑
void Worker::run()
{
    int attempt = 0;
    bool success = false;

    // 尝试执行任务，直到达到重试次数或任务成功
    while (attempt < m_retryCount && !success) {
        attempt++;
        qDebug() << tc("尝试执行任务：") << m_taskName << tc("尝试次数：") << attempt;
        success = executeTask();  // 执行任务
        if (!success) {
            qDebug() << tc("任务失败，重试中：") << m_taskName;
            QThread::sleep(2);  // 模拟任务失败后的等待
        }
    }

    if (success) {
        qDebug() << tc("任务完成：") << m_taskName;
    } else {
        qDebug() << tc("任务失败，超过最大重试次数：") << m_taskName;
    }
}

// 模拟任务执行的逻辑，50%概率失败
bool Worker::executeTask()
{
    // 使用随机数模拟任务失败
    return QRandomGenerator::global()->bounded(2) == 0;
}

主程序文件：main.cpp

#include <QCoreApplication>
#include <QThreadPool>
#include <QDebug>
#include "worker.h"

#define tc(a) QString::fromLocal8Bit(a)

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    // 获取全局线程池实例
    QThreadPool *threadPool = QThreadPool::globalInstance();
    
    // 设置最大线程数为4
    threadPool->setMaxThreadCount(4);

    // 创建多个任务并添加到线程池
    Worker *task1 = new Worker(tc("任务 1"));
    Worker *task2 = new Worker(tc("任务 2"));
    Worker *task3 = new Worker(tc("任务 3"));
    Worker *task4 = new Worker(tc("任务 4"), 2);  // 设置任务4最大重试次数为2次
    Worker *task5 = new Worker(tc("任务 5"));

    // 向线程池中添加任务
    threadPool->start(task1);
    threadPool->start(task2);
    threadPool->start(task3);
    threadPool->start(task4);
    threadPool->start(task5);

    // 等待线程池中的任务完成
    threadPool->waitForDone();

    return a.exec();
}

尝试执行任务： 任务 1 尝试次数： 1
任务完成： 任务 1
尝试执行任务： 任务 2 尝试次数： 1
任务完成： 任务 2
尝试执行任务： 任务 3 尝试次数： 1
任务完成： 任务 3
尝试执行任务： 任务 4 尝试次数： 1
任务失败，重试中： 任务 4
尝试执行任务： 任务 4 尝试次数： 2
任务完成： 任务 4
尝试执行任务： 任务 5 尝试次数： 1
任务完成： 任务 5

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代码讲解

1. QRunnable 和 QThreadPool 的结合使用：

   • 我们通过继承 QRunnable 创建了一个 Worker 类来封装任务，每个 Worker 实例表示一个任务。
   • 任务的执行逻辑被定义在 run() 方法中，而任务的失败重试机制由 executeTask() 方法模拟。
   • 在 main() 函数中，我们通过 QThreadPool::globalInstance() 获取全局线程池实例，设置最大线程数为4，并将多个任务提交到线程池执行。

2. 自动删除任务：

   • setAutoDelete(true) 确保任务在执行完成后自动被删除，这有效防止了内存泄漏。

3. 任务执行过程：

   • 每个任务都会随机失败，模拟实际应用中的网络请求或数据库操作失败的场景，最多重试3次。
   • QThread::sleep(2) 模拟任务执行时的延迟，使得任务的执行过程更加真实。

4. 线程池管理：

   • 线程池会根据当前可用线程的数量来调度任务，如果有空闲线程，任务会立刻执行；如果线程池的线程数已经达到最大值，新的任务会排队等待。

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总结

线程池技术能够减少线程创建和销毁的开销，通过任务调度和线程复用提高了程序的性能和并发处理能力。QRunnable 提供了灵活的任务管理方式，QThreadPool 则负责高效的线程管理与任务调度。