Qt 重入和线程安全

重入和线程安全

在整个文档中，"重入"和 "线程安全 "这两个术语被用来标记类和函数，以表明它们在多线程应用程序中的使用方式：

• 线程安全函数可以同时被多个线程调用，即使调用使用的是共享数据，因为共享数据的所有引用都已序列化。
• 可重入函数也可以同时被多个线程调用，但前提是每次调用都使用自己的数据。

因此，线程安全的函数总是可重入的，但可重入的函数并不总是线程安全的。

推而广之，如果一个类的成员函数可以被多个线程安全调用，只要每个线程使用的是该类的不同实例，那么这个类就是可重入的。如果可以从多个线程安全地调用类的成员函数，即使所有线程都使用类的相同实例，该类也是线程安全的。

注意： 只有当 Qt 类被多个线程使用时，才会被记录为线程安全。如果函数未标记为线程安全或可重入，则不应在不同线程中使用。如果一个类未标记为线程安全或可重入，则该类的特定实例不得从不同线程访问。

重入

C++ 类通常是可重入的，原因很简单，因为它们只访问自己的成员数据。任何线程都可以调用可重入类实例的成员函数，只要其他线程不能同时调用该类同一实例的成员函数。例如，下面的Counter 类就是可重入类：

class Counter
{
public:Counter() { n = 0; }void increment() { ++n; }void decrement() { --n; }int value() const { return n; }private:int n;
};

该类不是线程安全的，因为如果多个线程试图修改数据成员n ，结果是未定义的。这是因为++ 和-- 操作符并不总是原子性的。事实上，它们通常扩展为三条机器指令：

1. 将变量值载入寄存器。
2. 递增或递减寄存器的值。
3. 将寄存器的值存储回主内存。

如果线程 A 和线程 B 同时加载变量的旧值、递增寄存器并将其存储回去，那么它们最终会互相覆盖，而变量只会递增一次！

导致类不可重入的典型设计模式

• 使用静态数据成员或全局状态
  • 如果类依赖静态变量或全局资源，多个实例或线程共享这些状态时可能引发冲突。
• 单例模式未正确实现线程安全
  • 单例类若在初始化时未加锁，多线程可能创建多个实例，破坏单例语义。
• 未保护共享外部资源
  • 类若操作文件、数据库连接等外部资源时未加锁，多线程访问会导致资源冲突。
• 依赖非线程安全的第三方库
  • 若类封装了非线程安全的第三方 API，直接暴露给多线程环境会导致不可重入。
• 成员函数修改共享内部状态
  • 若类的成员函数修改共享的成员变量，且未同步，多线程调用会破坏状态。
  • 比如缓存类（不可冲入）：多线程调用 add() 可能导致 std::map 内部状态损坏。

  • class Cache {
    private:std::map<std::string, std::string> data_;
    public:void add(const std::string& key, const std::string& value) {data_[key] = value;  // 多线程写入可能破坏 map 结构}
    };

线程安全

显然，访问必须序列化：线程 A 必须不间断（原子地）执行步骤 1、2、3，然后线程 B 才能执行相同的步骤；反之亦然。让类具有线程安全的简单方法是使用QMutex 保护对数据成员的所有访问：

class Counter
{
public:Counter() { n = 0; }void increment() { QMutexLocker locker(&mutex); ++n; }void decrement() { QMutexLocker locker(&mutex); --n; }int value() const { QMutexLocker locker(&mutex); return n; }private:mutable QMutex mutex;int n;
};

QMutexLocker 类会在构造函数中自动锁定互斥体，并在函数结束调用析构函数时解除锁定。锁定互斥确保来自不同线程的访问将被序列化。mutex 数据成员使用mutable 限定符声明，因为我们需要在value() 中锁定和解锁互斥体，而 是一个常量函数。

Qt 类注意事项

许多 Qt 类都是可重入的，但它们并不是线程安全的，因为如果让它们成为线程安全的，就会产生重复锁定和解锁QMutex 的额外开销。例如，QString 是可重入的，但不是线程安全的。您可以安全地同时从多个线程访问QString 的不同实例，但无法安全地同时从多个线程访问QString 的同一实例（除非您使用QMutex 保护自己的访问）。

有些 Qt 类和函数是线程安全的。这些主要是与线程相关的类（如QMutex ）和基本函数（如QCoreApplication::postEvent() ）。

注： 多线程领域的术语并不完全标准化。POSIX 使用的可重入和线程安全定义与其 C API 有些不同。在 Qt 中使用其他面向对象的 C++ 类库时，请务必理解这些定义。

Reentrancy and Thread-Safety | Qt 6.8