Qt 多线程之 std::thread (一)

本文介绍了如何在C++0x std::thread中使用Qt提供的线程间机制,包括自定义事件传递、信号槽机制以及多线程环境下Qt事件系统的应用。

不时见到有人会这样做:

  • 不使用QThread,而是使用pthread等平台相关的底层 api
  • 而又不想使用底层线程间同步、通讯的api

那么,如何使用pthread,而又使用Qt提供的线程间机制呢?

本文的初衷源于此,但是使用的的是C++0x 的 std::thread,而不是直接使用unix的pthread。(既然用Qt,还是尽量保证夸平台吧)

不想写太多的文字,还是用一个一个的小例子来说话吧。

例子一

  • 界面上一个QSpinBox
  • 次线程中每隔一段时间会生成一个值,传递给该SpinBox

#include <QtGui/QApplication>
#include <QtGui/QSpinBox>
#include <thread>
void test1(QSpinBox * w)
{
    for (int i=0; i<10; ++i)
    {
        msSleep(1000);
        QMetaObject::invokeMethod(w, "setValue", Q_ARG(int, i*i));
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);
    QSpinBox w;
    w.show();
    std::thread t1(test1, &w);
    return a.exec();
}

其中 msSleep 是我们自定义的一个sleep函数:

void msSleep(int ms)
{
#ifdef Q_OS_WIN
    Sleep(uint(ms));
#else
    struct timespec ts = { ms / 1000, (ms % 1000) * 1000 * 1000 };
    nanosleep(&ts, NULL);
#endif
}

invokeMethod?

为什么要用蹩脚的invokeMethod?

        QMetaObject::invokeMethod(w, "setValue", Q_ARG(int, i*i));

而不是直接用

        w.setValue(i*i);
  • Manual中说的明白:所有的GUI部件都是不可重入的!

QWidget and all its subclasses, are not reentrant. They can only be used from the main thread.
  • 不要去挑战它的权威!注意:在这个例子中,如果你直接用 w.setValue(i*i);,在绝大多数情况下你可能都能得到正确的结果,但是并不能证明这么做是对的。

例子二

次线程到主线程的通讯,前面用的是invokeMethod。有无其他办法呢?

其实在多线程情况下,无论是invokeMethod还是signal-slot,都是通过Qt的事件系统来完成的。

看Manual,注意Note部分:

void QCoreApplication::postEvent ( QObject * receiver, QEvent * event ) [static]
Note: This function is thread-safe.

所以,我们可以直接使用这个它(通过自定义事件来传递信息):

#include <QtGui/QApplication>
#include <QtGui/QSpinBox>
#include <thread>
class Event:public QEvent
{
public:
    Event(int value):QEvent(QEvent::User), value(value){}
    int value;
};

class SpinBox:public QSpinBox
{
public:
    SpinBox(){}
protected:
    bool event(QEvent *event)
    {
        if (event->type() == QEvent::User){
            Event * evt = static_cast<Event*>(event);
            setValue(evt->value);
        }
        return QSpinBox::event(event);
    }
};

void test1(QSpinBox * w)
{
    for (int i=0; i<10; ++i)
    {
        msSleep(1000);
        qApp->postEvent(w, new Event(i*i));
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);
    SpinBox w;
    w.show();
    std::thread t1(test1, &w);
    return a.exec();
}

例子三

看一个次线程对象发送信号到主线程对象的例子:

#include <QtGui/QApplication>
#include <QtGui/QSpinBox>
#include <thread>
class Object:public QObject
{
    Q_OBJECT
    Q_PROPERTY(int value READ value WRITE setValue NOTIFY valueChanged)
public:
    Object():m_val(0){}
    int value() const{return m_val;}
public slots:
    void setValue(int v)
    {
        if (m_val != v){
            m_val = v;
            emit valueChanged(v);
        }
    }
signals:
    void valueChanged(int v);
private:
    int m_val;
};

void test1(QSpinBox * w)
{
    Object obj;
    obj.connect(&obj, SIGNAL(valueChanged(int)), w, SLOT(setValue(int)));
    for (int i=0; i<10; ++i)
    {
        msSleep(1000);
        obj.setValue(i*i);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);
    QSpinBox w;
    w.show();
    std::thread t1(test1, &w);
    return a.exec();
}

例子本身没有多少可多说的。当次线程中Object对象的值发生变化是,会发送信号,由于信号connect到主线程的SpinBox中,所以就看到和例子一例子二完全一致的效果了。


<think>首先,用户的问题是:“我想在Qt多线程环境中使用std::queue导致崩溃的问题及其解决方案请问Qt多线程环境下使用std::queue导致崩溃的原因及解决方法”。这是个关于在Qt多线程环境中使用std::queue导致崩溃的问题,需要我解释原因并提供解决方案。根据系统级指令:-所有行内数学表达式必须使用$...$格式。-独立公式必须使用$$...$$格式并单独成段。 -LaTeX语法正确。-使用中文回答。-生成相关问题。 -回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识。用户可见层:-回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题,尽量保证回答真实可靠。 参考站内引用:-引用[1]:关于std::thread的构造函数、成员函数等。-引用[2]:提到std::thread等并行类用于实现线程池。-引用[3]:讨论std::condition_variable和std::unique_lock。-引用[4]:使用std::unique_lock和std::condition_variable::wait_for等待消息。这些引用涉及C++多线程编程,特别是std::threadstd::condition_variable和std::unique_lock。用户的问题是关于Qt多线程中使用std::queue导致崩溃,这与多线程同步和线程安全有关。 核心问题:在Qt多线程环境中,使用std::queue可能导致崩溃,因为std::queue不是线程安全的。多个线程同时访问(读写)同个队列时,如果没有适当的同步机制,会导致数据竞争、死锁或崩溃。原因分析: 1. **数据竞争(DataRace)**:当多个线程同时读写std::queue时,由于std::queue不是线程安全的,操作如push、pop、front等可能导致未定义行为。2.**Qt的信号槽机制与std::thread的冲突**:Qt使用事件循环和信号槽进行线程间通信,而直接使用std::queue可能绕过这些机制。3.**线程生命周期管理**:如果线程在队列被销毁后还尝试访问它,会导致崩溃。4.**缺少同步**:没有使用互斥锁(mutex)或条件变量(condition variable)来保护共享资源。解决方案:-使用线程安全的队列:Qt提供了QQueue或QMutex来保护共享资源。 -或者,使用std::mutex和std::condition_variable来同步对std::queue的访问。-结合Qt的信号槽机制进行线程间通信。参考引用: -引用[3]和[4]提到了std::condition_variable和std::unique_lock,这些可以用于实现线程安全的队列。 -引用[2]讨论了使用std::thread实现线程池,线程池中常使用线程安全的队列。 回答结构:1.**解释原因**:清晰说明为什么崩溃。2.**提供解决方案**:逐步给出解决方法。 3. **生成相关问题**:在末尾添加相关问题。 4. **使用引用标识**:在相关部分添加引用。使用中文回答。 生成相关问题:-例如:如何实现线程安全的队列?Qt多线程编程的最佳实践?如何避免数据竞争?确保LaTeX正确:问题中没有明显的数学表达式,但如果有,如涉及算法,使用$...$或$$...$$。 最终回答大纲: -引言:简述问题。-原因分析:详细解释崩溃原因。-解决方案:提供具体方法。-代码示例:给出简单示例(如果适用)。 -相关问题:结尾添加相关问题。</think>### Qt 多线程环境中使用 std::queue 导致崩溃的原因及解决方法 在 Qt 多线程环境中使用 `std::queue` 可能导致程序崩溃,这通常是由于**线程安全问题**引起的。`std::queue` 本身不是线程安全的容器,当多个线程同时访问(例如生产者线程写入数据、消费者线程读取数据)时,如果没有适当的同步机制,会引发数据竞争(Data Race)、内存访问冲突或未定义行为。以下我将逐步解释原因并提供可靠的解决方案,帮助您避免崩溃问题。 #### 崩溃的主要原因 1. **数据竞争(Data Race)**: - 当多个线程并发访问 `std::queue`(例如个线程调用 `push()` 添加元素,另个线程调用 `pop()` 移除元素)时,操作不是原子的。这可能导致队列内部状态(如指针或计数器)损坏,进而引发段错误(Segmentation Fault)或程序崩溃[^3]。 - 例如,在消费者线程中,如果 `pop()` 操作与 `empty()` 检查之间未加锁,消费者可能尝试从空队列中弹出元素,导致未定义行为。 2. **线程生命周期问题**: - 如果线程在队列对象被销毁后仍尝试访问它(例如在 Qt 中,主线程销毁队列时,子线程仍在运行),会导致野指针访问或资源泄漏,从而崩溃[^1]。 3. **Qt 事件循环与 std::thread 的冲突**: - Qt 使用信号槽(Signals and Slots)机制进行线程间通信,而 `std::queue` 直接暴露共享数据。如果在 `std::thread` 创建的线程中操作队列,而没有与 Qt 的事件循环同步,可能违反 Qt 的线程模型(如跨线程访问 GUI 对象),导致崩溃[^2]。 4. **缺少同步机制**: - `std::queue` 本身不提供内置锁,必须依赖外部同步工具(如互斥锁)。如果未使用 `std::mutex` 或 `std::condition_variable` 保护队列,操作顺序不可控,容易引发死锁或竞争条件[^3][^4]。 #### 解决方案:实现线程安全的队列访问 要解决崩溃问题,核心是**确保对 `std::queue` 的访问是线程安全的**。以下是几种可靠的方法,从简单到进阶逐步说明。建议优先使用 Qt 原生工具以保持兼容性。 ##### 方法 1:使用 Qt 的线程安全容器(推荐) Qt 提供了内置的线程安全机制,如 `QMutex` 和 `QWaitCondition`,结合 `QQueue` 或 `std::queue` 封装为线程安全队列。这是最稳定的方案,避免与 Qt 事件循环冲突。 - **步骤**: 1. 使用 `QMutex` 保护队列操作。 2. 使用 `QWaitCondition` 实现生产者-消费者模型的等待/通知机制(类似 `std::condition_variable`)。 3. 在子线程中使用 Qt 的 `QThread` 而非 `std::thread`,以兼容 Qt 的信号槽。 - **代码示例**: ```cpp #include <QQueue> #include <QMutex> #include <QWaitCondition> #include <QThread> class ThreadSafeQueue { public: void push(const int& item) { QMutexLocker locker(&mutex); queue.enqueue(item); condition.wakeOne(); // 通知等待的消费者 } int pop() { QMutexLocker locker(&mutex); while (queue.isEmpty()) { condition.wait(&mutex); // 等待队列非空 } return queue.dequeue(); } private: QQueue<int> queue; QMutex mutex; QWaitCondition condition; }; // 生产者线程(继承自 QThread) class Producer : public QThread { void run() override { for (int i = 0; i < 10; ++i) { safeQueue.push(i); msleep(100); // 模拟延迟 } } }; // 消费者线程 class Consumer : public QThread { void run() override { while (true) { int item = safeQueue.pop(); // 处理 item } } }; ``` - **优点**:完全兼容 Qt,避免崩溃风险。`QMutexLocker` 自动加锁解锁,防止死锁[^3]。 - **注意**:确保线程通过信号槽启动/停止,避免生命周期问题。 ##### 方法 2:使用 std::mutex 和 std::condition_variable(适用于纯 C++ 线程) 如果必须使用 `std::thread`(例如在非 Qt 模块中),可以通过 `std::mutex` 和 `std::condition_variable` 实现同步。但需注意与 Qt 线程模型的兼容性。 - **步骤**: 1. 用 `std::mutex` 包裹所有队列操作。 2. 使用 `std::condition_variable` 协调线程(例如消费者等待队列非空)。 3. 使用 `std::unique_lock` 管理锁(避免 `std::lock_guard`,因为它不支持条件变量的等待[^3][^4])。 - **代码示例**: ```cpp #include <queue> #include <mutex> #include <condition_variable> class SafeQueue { public: void push(int item) { std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex); queue.push(item); lock.unlock(); cond.notify_one(); // 通知个等待线程 } int pop() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex); cond.wait(lock, [this] { return !queue.empty(); }); // 等待直到队列非空 int item = queue.front(); queue.pop(); return item; } private: std::queue<int> queue; std::mutex mutex; std::condition_variable cond; }; // 在 std::thread 中使用 void consumerThread(SafeQueue& safeQueue) { while (true) { int item = safeQueue.pop(); // 处理 item } } // 主线程中创建线程 SafeQueue safeQueue; std::thread consumer(consumerThread, std::ref(safeQueue)); consumer.join(); // 确保线程结束时队列已销毁 ``` - **优点**:标准 C++ 实现,可移植性强。 - **关键点**: - 使用 `std::unique_lock` 而非 `std::lock_guard`,因为 `wait()` 需要锁的灵活释放和重获[^3][^4]。 - 在 Qt 环境中,确保 `std::thread` 不直接访问 GUI 对象,必要时通过信号槽转发数据。 - **风险**:如果线程未正确 `join()` 或 `detach()`,可能导致队列在访问时已被销毁[^1]。 ##### 方法 3:替代方案:使用 QtConcurrent 或线程池 避免直接操作共享队列,改用 Qt 的高层 API: - **QtConcurrent**:使用 `QtConcurrent::run` 执行任务,数据通过信号槽传递。 - **线程池**:基于 `QThreadPool` 和 `QRunnable`,任务队列由 Qt 内部管理,自动处理同步。 - 示例(引用[2]中的思想): ```cpp QThreadPool pool; for (int i = 0; i < 10; ++i) { QtConcurrent::run(&pool, [] { // 线程安全任务 }); } ``` - **优点**:减少手动同步需求,降低崩溃概率。 #### 最佳实践总结 1. **优先使用 Qt 原生工具**:如 `QQueue` + `QMutex`,或 `QtConcurrent`。 2. **同步必不可少**:任何跨线程共享数据都必须加锁(`QMutex` 或 `std::mutex`)。 3. **生命周期管理**:确保队列在所有线程结束后才销毁(通过 `join()` 或 Qt 对象树)。 4. **避免阻塞主线程**:使用 `QWaitCondition` 或 `std::condition_variable` 实现高效等待[^4]。 5. **测试工具**:使用 Valgrind 或 Qt Test 检测数据竞争。 通过上述方法,您可以安全地在 Qt 多线程环境中使用队列,避免崩溃问题。如果问题复杂,建议查阅 Qt 官方文档或相关多线程编程指南[^1][^2]。
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