1.3 線程同步

線程同步即當有一個線程在對內存地址進行操作時，其他線程都不可以對這個內存地址進行操作，直到該線程完成操作，其他處于等待的線程才能對該內存地址進行操作，而別的線程又處于等待狀態。

1.3.1 互斥量

線程鎖能夠保證臨界資源的安全性，通常，每個臨界資源需要一個線程鎖進行保護。下面介紹兩個概念。

● 臨界資源：每次只允許一個線程訪問的資源。

● 線程間互斥：多個線程在同一時刻都需要訪問臨界資源。

QMutex、QReadWriteLock、QSemaphore和QWaitCondition可提供線程同步的手段。使用線程主要是希望它們可以盡可能并發執行，而在一些關鍵點上線程之間需要停止或等待。例如，如果兩個線程要同時訪問同一個全局變量，則無法實現。

QMutex 類提供相互排斥的鎖，或稱為互斥量。在一個時刻至多一個線程擁有QMutex的某對象m_Mutex。假如一個線程試圖訪問已經被鎖定的m_Mutex，那么該線程將休眠，直到擁有m_Mutex對象的線程對此m_Mutex解鎖。QMutex常用來保護共享數據訪問。QMutex類的所有成員函數是線程安全的。

在程序中使用QMutex 時需要聲明頭文件，在程序開始之前聲明QMutex m_Mutex，在只能一個線程訪問的代碼之前加鎖，代碼之后解鎖。相關的代碼如下。

● 頭文件聲明： #include <QMutex>

● 互斥量聲明： QMutex m_Mutex;

● 互斥量加鎖： m_Mutex.lock();

● 互斥量解鎖： m_Mutex.unlock();

如果對沒有加鎖的互斥量進行解鎖，那么執行的結果是可能造成死鎖。互斥量的加鎖（Lock）和解鎖（Unlock）必須在同一線程中成對出現。

QMutex有兩種模式：Recursive和NonRecursive。

● Recursive：一個線程可以對mutex對象多次加鎖，直到相應次數的解鎖調用后，mutex對象才真正被解鎖。

● NonRecursive：默認模式，mutex對象只能被加鎖一次。

如果使用了m_Mutex.lock加鎖而沒有使用對應的m_Mutex.unlock解鎖，就會造成死鎖，其他線程將永遠也得不到接觸m_Mutex鎖住的共享資源的機會。盡管可以不使用lock而使用tryLock(timeout)來避免“死等”造成的死鎖［tryLock(負值)==lock()］，但是還是可能造成錯誤。兩個函數的具體情況如下。

● bool tryLock：如果當前其他線程已對QMutex對象加鎖，則該調用會立即返回，而不被阻塞。

● bool tryLock(int timeout)：如果當前其他線程已對該QMutex對象加鎖，則該調用會等待一段時間，直到超時。

下面通過一個多線程售票的例子來看一下QMutex的使用。在這個例子中，首先通過繼承QObject類，創建TicketSeller類，并創建兩個對象——seller1和seller2，然后通過創建線程t1和t2，再將對象交給線程。在具體售票過程中，售票前先對互斥對象票的總數加鎖，售票后再解鎖釋放。

#include <QCoreApplication>
#include <QObject>
#include <QThread>
#include <QMutex>
#include <string>
#include <iostream>
class TicketSeller : public QObject
{
public:
TicketSeller();
~TicketSeller();
public slots:
void sale();
public:
int* tickets;
QMutex* mutex;
std::string name;
};
TicketSeller::TicketSeller()
{
tickets = 0;
mutex = NULL;
}
TicketSeller::~TicketSeller()
{
}
void TicketSeller::sale()
{
while((*tickets) > 0)
{
mutex->lock();//加鎖
std::cout << name << " : " << (*tickets)-- << std::endl;
mutex->unlock();//解鎖
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
QCoreApplication a(argc, argv);
int ticket = 100;
QMutex mutex;
/*創建、設置線程1*/
//創建線程1
QThread t1;
TicketSeller seller1;
//設置線程1
seller1.tickets = &ticket;
seller1.mutex = &mutex;
seller1.name = "seller1";
//將對象移動到線程
seller1.moveToThread(&t1);
/*創建、設置線程2*/
//創建線程2
QThread t2;
TicketSeller seller2;
seller2.tickets = &ticket;
seller2.mutex = &mutex;
seller2.name = "seller2";
//將對象移動到線程
seller2.moveToThread(&t2);
QObject::connect(&t1, &QThread::started, &seller1, &TicketSeller::sale);
QObject::connect(&t2, &QThread::started, &seller2, &TicketSeller::sale);
t1.start();
t2.start();
return a.exec();
}

編譯運行后，可以看到票的總數通過兩個線程從100依次遞減到0。

另外還有一個QMutexLocker 類，主要用來管理 QMutex。使用 QMutexLocker 的好處是可以防止線程死鎖。QMutexLocker在構造的時候加鎖，析構的時候解鎖。

1.3.2 死鎖以及解決方案

多線程以及多進程可改善系統資源的利用率，并提高系統的處理能力。然而，運行過程中因爭奪資源可能會造成一種僵局（Deadly-embrace），若無外力作用，這些進程（線程）都將無法向前推進。

產生死鎖的條件，一是系統中存在多個臨界資源且臨界資源不可搶占，二是線程需要多個臨界資源才能繼續執行。死鎖可采用的解決方案如下：對使用的每個臨界資源都分配一個唯一的序號，對每個臨界資源對應的線程鎖分配相應的序號，系統中的每個線程按照嚴格遞增的次序請求臨界資源。

1.3.3 讀寫鎖

QReadWriteLock 與QMutex相似，但對讀寫操作區別對待，可以允許多個讀者同時讀數據，但只能有一個寫，并且讀寫操作不能同時進行。使用QReadWriteLock而不是QMutex，可以使多線程程序更具有并發性。 QReadWriteLock的默認模式是NonRecursive。

QReadWriteLock類成員函數如下。

● QReadWriteLock：讀寫鎖構造函數。

● QReadWriteLock ( RecursionMode recursionMode)：遞歸模式。在這種模式下，一個線程可以加多次相同的讀寫鎖，直到相應數量的unlock被調用才能被解鎖。

● void lockForRead：加讀鎖。

● void lockForWrite：加寫鎖。

● QReadWriteLock ( RecursionMode NonRecursive)：非遞歸模式。在這種模式下，一個線程僅可以加讀寫鎖一次，不可遞歸。

● bool tryLockForRead：嘗試讀鎖定。如果讀鎖定成功，則返回true，否則它立即返回false。

● bool tryLockForRead ( int timeout )：嘗試讀鎖定。如果讀鎖定成功，則返回true；如果不成功，則等待timeout時間，等待其他線程解鎖，當timeout為負數時，一直等待。

● bool tryLockForWrite：嘗試寫鎖定。如果寫鎖定成功，則返回true，否則它立即返回false。

● bool tryLockForWrite ( int timeout )：嘗試寫鎖定。如果寫鎖定成功，則返回true；如果不成功，則等待timeout時間，等待其他線程解鎖，當timeout為負數時，一直等待。

● void unlock：解鎖。

下面給出了一個QReadWriteLock的使用實例，代碼如下。

QReadWriteLock lock;
void ReaderThread::run()
{
lock.lockForRead();
read_file();
lock.unlock();
}
void WriterThread::run()
{
lock.lockForWrite();
write_file();
lock.unlock();
}

1.3.4 條件變量

QWaitCondition條件變量允許一個線程通知其他線程，如果所等待的某個條件已經滿足，可以繼續運行。一個或多個線程可以在同一個條件變量上等待。當條件滿足時，可以調用wakeOne從所有等待在該條件變量上的線程中隨機喚醒一個線程繼續運行，也可以使用wakeAll同時喚醒所有等待在該條件變量上的線程。

QWaitCondition和QSemaphore一樣，因為要訪問共享資源，所以要和QMutex配合使用。