从另一个线程修改 QObject 数据时的最佳实践

Question

有人可以向我建议以下用例的最佳实践吗：

例如，我有一个

QObject

类，其信号位于主线程中

class Motor : public QObject
{
   Q_OBJECT
   Q_PROPERTY(int speed READ speed NOTIFY speedChanged FINAL)

   friend class Plc;

public:
   explicit Motor(QObject *parent = nullptr) :
      QObject{ parent }
   {}

   int speed() const { return m_speed; }

signals:
   void speedChanged();

protected:
   void setSpeed(int speed) {
      if(m_speed == speed)
          return;
      m_speed = speed:
      emit speedChanged();
   }

private:
   int m_speed = 0;
};

setter 被定义为受保护，因为我希望主程序只能读取该值。 只有朋友班

Plc

才能写。

Plc

类正在不同的线程上运行。它读取来自 PLC 的数据并更新

Motor

类。

下面是主线程事件循环的示例

void MainWindow::MainWindow()
{
   m_plc = new Plc();
   connect(this, &MainWindow::triggerRead, m_plc, &Plc::readPlcData);
   connect(m_plc , &Plc::readCompleted, this, &MainWindow::processData);
   m_plc->setResource(&m_motor);

   m_plcThread = new QThread(this);
   m_plc->moveToThread(m_plcThread);
   connect(m_plcThread, &QThread::started, m_plc, &Plc::readPlcData);

   thread->start();
}

void processData()
{
   // Limiting the motor speed
   if(m_motor.speed() > 20)
      plc->writeMotorSpeed(20); // Write data into PLC only. Next read will update motor.speed value

   // Do other stuff

   emit triggerRead();
}

下面是

Plc

类的示例

class Plc : public QObject
{
   Plc() : QObject{ nullptr }
   {
      connect(this, &Plc::readPlcData, this, &Plc::doReadData);
   }

   void setResource(Motor *motorPtr) { m_motor = motorPtr; }

signals:
   void readPlcData();
   void readCompleted(QPrivateSingal);

private:
   void doReadData()
   {
      // Reding data from PLC

      if(m_motor) {
         m_motor->setSpeed(data[0]);
      }

      emit readCompleted(QPrivateSingal());
   }
   
private:
   Motor *m_motor = nullptr;
};

在这种情况下，

Plc

类在主线程读取

Motor

值的同时更新它是“不可能的”。 如果我将

Motor

类暴露给 QML 以显示一些

Q_PROPERTY

，则效果相同。

UI 有一些按钮，如果单击这些按钮，主线程会检查一些

Motor

的值。在这种情况下，我认为存在

Plc

类在主线程读取值时更新值的风险。是吗？

如果后者是真的，最好用一个互斥体来保护

Motor

类，以保护类的读写，对吗？

Answer 1

一般来说，是的，出于以下原因，您需要同步对共享可变状态的访问。

现代 CPU 使用多层内存缓存来提高性能，其中部分/全部是每个核心的。除非 CPU 在执行的代码中遇到所谓的“内存屏障”，否则数据不会在缓存之间同步。内存屏障要么是专用 CPU 指令，要么是导致内存缓存同步的另一条指令的副作用。 记住这一点，考虑以下情况。 GUI 线程和 Plc 线程被安排在不同的内核上运行。

Plc

线程将速度值写入相应的

Motor

类变量中。没有内存屏障，它只写入相应的核心缓存。 GUI 线程尝试在

Plc

线程遇到内存屏障之前读取变量，并仅从主内存中获取过时的值。这当然是不可取的。C++ 通过

std::atomic

标准库类公开内存屏障功能。 Qt 还具有具有类似功能的

QAtomic

。它是一个专门针对读/写单个变量的情况的类。原则上，您可以将速度变量声明为原子的，并且对它的任何访问都会在代码中插入内存屏障。

但是，类变量通常并不独立，您与其他类变量有一定的依赖关系，并且希望在所有线程中看到一致的状态。因此，您通常会使用互斥体，因为互斥体会这样做，并且还会在其操作期间插入内存屏障（它们的实现涉及原子标志）。所以，一般来说，互斥体是必要的。

我说一般是因为在你的具体情况下

GUI 线程在

Plc

线程执行期间不会与共享状态交互，直到
1. Plc

   线程完成使用它

   Qt GUI 线程事件循环需要内存屏障才能获取下一个信号激活

2. 因此，当 GUI 线程检查电机速度时，不仅

   Plc
线程停止使用它，而且当 GUI 线程事件循环从事件队列中获取

Plc::readCompleted

信号处理程序时，还存在内存障碍。因此 GUI 线程可以“看到”电机的最新状态。

这意味着对于这种特殊情况，互斥体是不必要的。我建议记录 GUI 线程在

Plc

线程完成之前不应与电机交互，因为粗心的开发人员很容易打破这个假设。