Qt篇: 多线程互斥

多线程与临界资源的依赖

除了上一节所说的，多线程在代码执行的时序上会有依赖，那么其他地方是否还有所依赖呢？答案是有的，也就是与临界资源的问题，所谓临界资源是指每次只允许一个线程进行访问（读或写）的资源。

假设两个线程都要访问一个全局变量的临界资源，两个线程谁都不让谁，进行对资源的抢占，发生了竞争，致使读写数据会出现错误，严重的可能还会导致程序运行崩溃，出错的现象谁也说不准，比如以下代码的示例：

#include <QCoreApplication>
#include <QThread>
#include <QDebug>
 
int g_i_current_data = 0;
 
class ThreadMutexA : public QThread
{
protected:
    void run()
    {
        qDebug() << objectName() << ": run begin...";
        while( true )
        {
            g_i_current_data++;
            qDebug() << objectName() << ": " << g_i_current_data;
            msleep(1);
        }
        qDebug() << objectName() << ": run end...";
    }
};

class ThreadMutexB : public QThread
{
protected:
    void run()
    {
        qDebug() << objectName() << ": run begin..."; 
        while( true )
        {
            g_i_current_data--;
            qDebug() << objectName() << ": " << g_i_current_data;
            msleep(1);
        }
        qDebug() << objectName() << ": run end...";
    }
};
 
int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);
 
    qDebug() << "main begin...";
 
    ThreadMutexA thread_a;
    ThreadMutexB thread_b;
 
    thread_a.setObjectName("ThreadMutexA");
    thread_b.setObjectName("ThreadMutexB");
 
    thread_a.start();
    thread_b.start();
 
    qDebug() << "main end...";
 
    return a.exec();
}

现象分析

现象：这段小示例代码已经经过半小时的测试，幸运的是并没有出现程序崩溃，但是仔细一看，数据的打印是有问题的，我们想让这个全局变量在A线程中加1，在B线程中减1，这明显与我们想法相违背；
原因分析：导致这现象的原因是多线程对临界资源的抢占，造成了互斥（竞争）的问题。

互斥和解决方法

多线程互斥：多线程在同一个时刻都需要访问（读/写）临界资源；
解决方案：QMutex类是线程锁类，它可以保证线程间的互斥，利用线程锁可以保证临界资源的安全性。

QMutex的主要成员函数和使用

lock()：当锁空闲时，线程获取锁并继续执行；当锁被获取时，阻塞并等待锁的释放。
unlock()：释放锁，同一把锁的获取lock()和释放unlock()必须成对出现。

    QMutex mutex;
    mutex.lock();
 
    // 对临界资源进行读写操作
 
    mutex.unlock();

完整示例代码

将线程锁的概念引入上面的问题当中，两条线程的处理结果就正常了，程序也不会崩溃，从而解决问题多线程互斥的问题。

#include <QCoreApplication>
#include <QThread>
#include <QMutex>
#include <QDebug>
 
int g_i_current_data = 0;
QMutex g_mutex;
 
class ThreadMutexA : public QThread
{
protected:
    void run()
    {
        qDebug() << objectName() << ": run begin...";
        while( true )
        {
            g_mutex.lock();
            g_i_current_data++;
            qDebug() << objectName() << ": " << g_i_current_data;
            g_mutex.unlock();
            msleep(1);
        }
        qDebug() << objectName() << ": run end...";
    }
};
 
class ThreadMutexB : public QThread
{
protected:
    void run()
    {
        qDebug() << objectName() << ": run begin...";
        while( true )
        {
            g_mutex.lock();
            g_i_current_data--;
            qDebug() << objectName() << ": " << g_i_current_data;
            g_mutex.unlock();
            msleep(1);
        }
        qDebug() << objectName() << ": run end...";
    }
};
 
int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);
    qDebug() << "main begin...";

    ThreadMutexA thread_a;
    ThreadMutexB thread_b;
 
    thread_a.setObjectName("ThreadMutexA");
    thread_b.setObjectName("ThreadMutexB");
 
    thread_a.start();
    thread_b.start();
 
    qDebug() << "main end...";
    return a.exec();
}

小结

临界资源每次只允许一个线程进行访问（读/写）操作；
QMutex线程锁可以保护线程间互斥；
线程只有获取锁成功才能去访问临界资源；
锁被其他线程获取时，就必须阻塞并等待锁的释放；
线程锁的获取和释放必须在同一个线程中成对出现，类似new和delete一样。