关于Qt多线程应用设计方法的总结

一、导读

本篇文章是关于Qt多线程应用设计方法的总结，描述了Qt中进行多线程设计的四种方法，并列举了常见应用场景下的多线程设计方案。合理选择对应的方法来解决实际开发中遇到的问题有助于对应用程序进行更合理设计。

二、【方法一】 QThread：带有可选事件循环的底层API

QThread是Qt中所有线程的基础，每个QThread实例代表和控制一个线程。使用QThread创建线程有两种方法：

（1）直接实例化创建：提供了一个并行事件循环，允许在辅助线程中调用QObject槽函数。

（2）子类化创建：继承QThread，允许应用程序在启动事件循环之前初始化新线程，或者在没有事件循环的情况下运行并行代码。

三、【方法二】 QThreadPool和QRunnable：重用线程

在实际开发中，频繁创建和销毁线程的代价可能会很高。为了减少这种开销，可以对新任务重用现有的线程。QThreadPool是可重用QThread的集合。

要在QThreadPool的一个线程中运行代码，需要重新实现QRunnable::run()并实例子类化的QRunnable。

使用````QThreadPool::start()将QRunnable放到QThreadPool的运行队列中。当线程可用时，QRunnable::run()```中的代码将在该线程中执行。

【备注】：每个Qt应用程序都有一个全局线程池，可以通过QThreadPool::globalInstance()访问这个线程池。这个全局线程池根据CPU中的核心数量会自动维护最佳的线程数量。但是在实际开发中，可以显式创建和管理一个单独的QThreadPool。

四、【方法三 】Qt并发：使用高级API

Qt并发模块提供了许多高级功能，用来处理一些常见的并行计算模式。例如：map、filter和reduce。Qt并发与使用QThread和QRunnable不同，这些函数不需要使用底层的线程原语，如互斥或信号量等。相反，它们返回的是一个QFuture对象，该对象可用于在准备线程或者线程完成时自动检索函数的结果；QFuture还可以用来查询、计算进度和暂停/恢复/取消计算。更方便的是，QFutureWatcher允许通过信号和槽函数与QFutures进行交互。

Qt Concurrent的并行计算模型：map、filter和reduce等算法会自动将计算负载分配到所有可用的处理器核心上，因此，我们今天编写的应用程序，如果在以后部署到拥有更多处理器核心的系统上时将继续得以扩展和使用，这一点非常方便。

Qt并发模块还提供了QtConcurrent::run()函数，它可以在另一个线程中运行任何函数。但是，QtConcurrent::run()只支持map、filter和reduce函数可用的特性子集，QFuture可用于检索函数的返回值并检查线程是否正在运行。

但是，对QtConcurrent::run()的调用只使用一个线程，不能暂停/恢复/取消，也不能查询进程。

五、【方法四】 WorkerScript：QML中的线程化

WorkerScript QML类型允许JavaScript代码与GUI线程并行运行。每个WorkerScript实例可以附加一个.js脚本。调用WorkerScript.sendMessage()时，脚本将在单独的线程(和单独的QML上下文)中运行。当脚本运行完成时，它可以将一个回复发送回GUI线程，该线程将调用WorkerScript.onMessage()信号处理程序。

使用WorkerScript类似于使用已移动到另一个线程的worker QObject，数据通过信号在线程之间进行传输。

【注】这种方法在QML中使用

六、如何选择上述四种多线程设计方案

如上所示，Qt为开发多线程应用程序提供了几种解决方案。而对于多线程应用程序的解决方案的选择取决于：新线程的用途和线程的生存期。下面是Qt线程技术的一张比较表：

序号	特点	QThread	QRunnable 和QThreadPool	QtConcurrent::run()	Qt Concurrent(Map/Filter/Reduce)	WorkerScript
1	开发语言	C++	C++	C++	C++	QML
2	是否可以指定线程优先级	是	是
3	线程是否可以运行一个事件循环	是
4	线程是否可以通过信号接收数据更新	是(received by a worker QObject)				是 (received by WorkerScript)
5	线程是否可以使用信号来控制	是(received by QThread)			是 (received by QFutureWatcher)
6	线程是否可以通过QFuture来监控			部分可以	是
7	是否拥有内置能力：取消/暂停/恢复				是

七、Qt多线程应用设计方案

在本小节中，列出了Qt中常见的几种多线程应用的设计方案，如下表所示：

线程生命周期	应用场景	解决方案
一次调用	在另一个线程中运行一个新的线程函数，可以选择在运行期间进行进度更新。	Qt提供了不同的解决方案：                                                                                                                         1、 将该函数放在QThread::run()的重新实现中，并启动QThread，发出信号更新进度。                                                                                                         2、该函数放在QRunnable::run()的重新实现中，并将QRunnable添加到QThreadPool中，写入线程安全的变量更新进度。                                                                                                             3、使用QtConcurrent:: Run()运行函数，写入线程安全的变量更新进度。
一次调用	在另一个线程中运行一个现有函数并获取它的返回值。	使用QtConcurrent:: Run()运行函数，让QFutureWatcher在函数返回时发出finished()信号，并调用QFutureWatcher::result()来获取函数的返回值。
一次调用	使用所有可用的硬件资源对容器（Container）的所有项执行操作。例如：从图像列表生成缩略图。	使用QtConcurrent的QtConcurrent::filter()函数来选择容器元素，使用QtConcurrent::map()函数来为每个元素关联一个操作。
一次调用/永久存在	在纯QML应用程序中完成长时间的计算，并在结果准备好时更新GUI。	将计算代码放在.js脚本中，并将其附加到WorkerScript实例。调用WorkerScript.sendMessage()在新线程中启动计算。让脚本也调用sendMessage()，将结果传递回GUI线程。在onMessage中处理结果并更新GUI。
永久存在	在另一个线程中有一个对象，它可以根据请求执行不同的任务，并且可以接收、处理新的数据。	子类化一个QObject来创建一个worker，实例化这个worker对象和一个QThread，将worker移动到新线程，通过排队的信号和槽函数连接向worker对象发送命令或数据。
永久存在	在另一个线程中重复执行开销较大的操作，其中该线程不需要接收任何信号或事件。	直接在QThread::run()的重新实现中写入无限循环，在没有事件循环的情况下启动线程，让线程发出信号将数据发送回GUI线程。

审核编辑：刘清