Qt/C++ 多线程同步机制详解及应用

在多线程编程中，线程之间共享资源可能会导致数据竞争和不一致的问题。因此，采用同步机制确保线程安全至关重要。在Qt/C++中，常见的同步机制有：互斥锁（QMutex、std::mutex）、信号量（QSemaphore）、读写锁（QReadWriteLock）、原子操作（QAtomicInt 等）以及条件变量（QWaitCondition、std::condition_variable）。本文将详细介绍这些常用同步机制，并通过代码示例帮助理解其使用场景。

1. 互斥锁（QMutex / std::mutex）

互斥锁是最常用的线程同步机制之一，它可以保证在同一时刻只有一个线程进入临界区。其基本原理是通过锁定和解锁互斥锁来确保共享资源的独占访问。

示例代码及注释

#include <QMutex>
#include <QThread>
#include <iostream>

// 声明一个全局互斥锁，用于保护共享资源
QMutex mutex;
int sharedResource = 0;  // 共享资源

class Worker : public QThread {
public:
    void run() override {
        mutex.lock();  // 锁定互斥锁，确保当前线程独占资源
        std::cout << "Thread " << QThread::currentThreadId() << " is entering the critical section." << std::endl;
        sharedResource++;  // 修改共享资源
        std::cout << "Shared Resource: " << sharedResource << std::endl;
        mutex.unlock();  // 释放互斥锁，其他线程可以进入
    }
};

int main() {
    Worker worker1, worker2;  // 创建两个工作线程
    worker1.start();  // 启动第一个线程
    worker2.start();  // 启动第二个线程
    worker1.wait();   // 等待第一个线程完成
    worker2.wait();   // 等待第二个线程完成
    return 0;
}

解释：

1. 互斥锁机制：使用 mutex.lock() 锁定，mutex.unlock() 解锁，保证共享资源在某个线程执行完后才可被其他线程访问。
2. 线程独占性：多个线程同时访问共享资源时，只有获取到锁的线程能进入临界区，避免竞争条件。

2. 信号量（QSemaphore）

信号量是一种同步机制，用于控制多个线程同时访问有限数量的资源。与互斥锁不同，信号量可以允许多个线程并发访问，直到信号量资源用尽。

示例代码及注释

#include <QSemaphore>
#include <QThread>
#include <iostream>

// 初始化信号量，允许最多3个线程同时进入临界区
QSemaphore semaphore(3);

class Worker : public QThread {
public:
    void run() override {
        semaphore.acquire();  // 获取信号量
        std::cout << "Thread " << QThread::currentThreadId() << " is entering." << std::endl;
        QThread::sleep(1);    // 模拟执行任务的时间
        std::cout << "Thread " << QThread::currentThreadId() << " is leaving." << std::endl;
        semaphore.release();  // 释放信号量
    }
};

int main() {
    Worker worker1, worker2, worker3, worker4;  // 创建四个线程
    worker1.start();  // 启动线程
    worker2.start();
    worker3.start();
    worker4.start();  // 第四个线程需等待其他线程释放信号量
    worker1.wait();
    worker2.wait();
    worker3.wait();
    worker4.wait();
    return 0;
}

解释：

1. 并发控制：信号量通过 acquire() 获取资源，release() 释放资源，控制多个线程并发执行。
2. 资源计数：当信号量值为零时，其他线程必须等待信号量被释放才能继续执行。

3. 读写锁（QReadWriteLock）

读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只有一个线程可以进行写入操作。它适合在多读少写的场景中使用，能有效提高读取操作的并发性能。

示例代码及注释

#include <QReadWriteLock>
#include <QThread>
#include <iostream>

// 读写锁，保护共享资源
QReadWriteLock lock;
int sharedResource = 0;  // 共享资源

class Reader : public QThread {
public:
    void run() override {
        lock.lockForRead();  // 获取读锁
        std::cout << "Reader thread " << QThread::currentThreadId() << " reading: " << sharedResource << std::endl;
        lock.unlock();  // 释放读锁
    }
};

class Writer : public QThread {
public:
    void run() override {
        lock.lockForWrite();  // 获取写锁
        sharedResource++;
        std::cout << "Writer thread " << QThread::currentThreadId() << " writing: " << sharedResource << std::endl;
        lock.unlock();  // 释放写锁
    }
};

int main() {
    Reader reader1, reader2;  // 创建两个读线程
    Writer writer1;  // 创建一个写线程
    reader1.start();
    reader2.start();
    writer1.start();  // 写线程将阻塞后续的读操作
    reader1.wait();
    reader2.wait();
    writer1.wait();
    return 0;
}

解释：

1. 多读单写：lock.lockForRead() 允许多个线程同时读取，而 lock.lockForWrite() 则保证写操作期间的独占访问。
2. 适用场景：在多读少写的场景下，读写锁可以提高效率。

4. 原子操作（QAtomicInt / std::atomic）

原子操作是一种无需锁定的同步方式，适合处理简单的共享数据操作，如计数器的增减。它通过硬件保证操作的原子性，从而避免了线程间的数据竞争。

示例代码及注释

#include <QAtomicInt>
#include <QThread>
#include <iostream>

// 原子整型，用于原子递增
QAtomicInt atomicCounter = 0;

class Worker : public QThread {
public:
    void run() override {
        for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
            atomicCounter.ref();  // 原子递增操作
        }
    }
};

int main() {
    Worker worker1, worker2;  // 创建两个线程
    worker1.start();
    worker2.start();
    worker1.wait();
    worker2.wait();
    std::cout << "Final counter: " << atomicCounter.load() << std::endl;  // 输出最终的计数值
    return 0;
}

解释：

1. 轻量同步：atomicCounter.ref() 是一个原子操作，不需要使用互斥锁，适合简单的递增或递减操作。
2. 性能提升：相比于使用锁，原子操作的性能开销更小，非常适合对共享资源进行计数的场景。

5. 条件变量（QWaitCondition / std::condition_variable）

条件变量用于线程间的同步，它允许线程等待某个条件被满足，通常与互斥锁一起使用。在条件满足时，可以唤醒一个或多个等待的线程。

示例代码及注释

#include <QMutex>
#include <QWaitCondition>
#include <QThread>
#include <iostream>

// 声明互斥锁和条件变量
QMutex mutex;
QWaitCondition condition;
bool ready = false;  // 条件标志

class Worker : public QThread {
public:
    void run() override {
        mutex.lock();  // 获取互斥锁
        while (!ready) {
            condition.wait(&mutex);  // 等待条件满足，期间释放互斥锁
        }
        std::cout << "Thread " << QThread::currentThreadId() << " is processing." << std::endl;
        mutex.unlock();  // 释放互斥锁
    }
};

int main() {
    Worker worker1, worker2;  // 创建两个线程
    worker1.start();
    worker2.start();
    
    QThread::sleep(1);  // 模拟主线程准备时间
    mutex.lock();
    ready = true;
    condition.wakeAll();  // 唤醒所有等待的线程
    mutex.unlock();

    worker1.wait();
    worker2.wait();
    return 0;
}

解释：

1. 条件等待：线程使用 condition.wait() 进入等待状态，直到条件满足时被唤醒。
2. 唤醒机制：condition.wakeAll() 唤醒所有正在等待条件的线程，使它们重新进入竞争状态。

在多线程编程中，选择合适的同步机制是确保数据安全和程序高效运行的关键。根据不同的应用场景，互斥锁、信号量、读写锁、原子操作和条件变量各有优缺点：

• 互斥锁 适用于保护临界区，确保共享资源的独占访问；
• 信号量 控制并发资源的访问数量；
• 读写锁 适合多读少写的场景，提升读取性能；
• 原子操作 在简单的共享数据操作中高效且轻量；
• 条件变量 允许线程等待某个条件的满足，以实现灵活的线程同步。

合理使用这些工具能够有效避免多线程编程中的竞争条件，确保程序的安全和性能。