[Qt]分離Ui執行緒與Worker執行緒

有時候為了增進Ui的響應速度，不得不把例行工作，尤其那些需要定時呼叫或狀態控制的工作，移到背景執行緒，形成雙執行緒的工作架構（基本上就是自動化產業的101招）：

• 主執行緒（Main thread）負責Ui的訊息迴圈，捕捉使用者事件如滑鼠點擊，鍵盤按下等等
• 通常開發框架都幫忙搞定好訊息迴圈架構了，我們只需要填寫各事件的處理常式
• 心得：處理一圈迴圈的延遲能在100ms內搞定，使用者基本上會感覺流暢

• 背景執行緒（Working thread），可能就負責收集外部I/O的資訊，內部物件狀態控制，等等...與介面無關的工作
• 時脈上就與使用者的反應無關，這個執行緒Looping的速度盡量越快越好
• 心得：處理一圈的延遲能在10ms內搞定，順序控制在大部分應用情況不會太糟

考慮Qt框架下，如何做主執行緒與背景執行緒的資料交換？當然前提必須是符合執行緒安全（Thread-safe）與避免競賽狀況（Race condition）

在Qt下，最簡單易懂的達成方法就是Qt的金字招牌，Signal-Slot

Signal-Slot若發送端與接收端屬於同一執行緒時，僅是類似函數指標的連結模式（DirectConnection），發送Signal時即立刻呼叫Slots

而在多執行緒資料交換需求中，機制上會形成類似執行緒安全的佇列（Queue）結構，Qt稱為QueuedConnection，讓時序不同的的接收者執行緒（Receiver）收到Signal後並不是立刻執行，而是堆積在佇列裡，接收者會在他自身的執行緒裡去消化堆積起來的Slots

Queue Connection：

The slot is invoked when control returns to the event loop of the receiver's thread. The slot is executed in the receiver's thread.

另外，背景執行緒不只可以同步執行特定工作，也可以製造另一獨立的訊息迴路去容納各種QObject生存，不用自己另外製造無限迴圈去掃描各物件，讓他們如同在單執行緒的環境下去接收事件（Event）並響應，這個特色讓我們分離執行緒時，僅需要改變建構時的程序
（前提是跨執行緒物件間訊息串接僅使用Signal/Slot）

摘自Qt官網-threads-qobject

分離訊息迴路到不同執行緒，在物件建構程序要注意幾項要點：

• Qt物件"活"在創建它的執行緒當中（超重要）
• 原文：A QObject instance is said to live in the thread in which it is created
• 怎麼決定一Qt物件的訊息迴路落在哪個執行緒？呼叫new QObject()的執行緒就是該Qt物件生存的執行緒
• 建構Qt物件的呼叫端物件，必須要 QObject::moveToThread()
• 原文：The QObject::moveToThread() function changes the thread affinity for an object and its children (the object cannot be moved if it has a parent).

用以上概念建構範例，我們設定出兩個角色：

• myWorker
• 以QTimer在固定時間輸出字串，報出自己所在的執行緒，用來驗證訊息迴路所在，最後發出一Signal通知另一執行緒的Worker
• 製造兩個實例（Instance），一個跑在主執行緒，另一個跑在背景執行緒

void MyObject::onTimeout()
{
    qDebug() << QString("%1,timeout").arg(thread()->objectName());
    emit inform();

    //!"Cannot send events to objects owned by a different thread
    //!receiver->setProperty("thread",thread()->objectName());
}

void MyObject::onInform()
{
    qDebug() << QString("sender thread %1,inform, on thread %2")
                .arg(sender()->thread()->objectName())
                .arg(thread()->objectName());
}

• myInitiator
• 目的是用來創建myWorker實例
• 按前面所說，創建在背景執行緒的myWorker實例的函式，須在背景執行緒執行；同樣概念套在主執行緒的myWorker實例
• 創建實例用函式Initialize()在執行緒啟動(start)時，透過信號槽觸發執行，能確保myWorker實例都是在背景執行緒中創建
• 另外!myInitiator還需要moveToThread(背景執行緒)，否則分離訊息迴路的動作也不會成功(目前不明白為何)

• myWorker間溝通
• 用Signal/Slot達成，執行Slot時報出發送端所在執行緒
• 在主執行緒中完成QObject::connect

//!Called in worker thread
void MyInitiator::Initialize()
{
    workerObj = new MyObject();
}

//!Called in main thread
void MyInitiator::Interconnect()
{
    mainObj = new MyObject();

    //! Signal/Slot interconnect
    QObject::connect(workerObj,&MyObject::inform,mainObj,&MyObject::onInform);
    QObject::connect(mainObj,&MyObject::inform,workerObj,&MyObject::onInform);
}

main.cpp：

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);
    QThread* thread = new QThread();
    
    thread->setObjectName("worker");
    a.thread()->setObjectName("main");

    MyInitiator* initiator = new MyInitiator();
    //!Set Thread affinity
    initiator->moveToThread(thread);
    //!Call in worker thread after it started
    QObject::connect(thread,&QThread::started,initiator,&MyInitiator::Initialize);

    //!Call in main thread
    QTimer::singleShot(100,[=](){
        initiator->Interconnect();
    });

    //!worker thread event loop start
    thread->start();
    //!main thread event loop start
    return a.exec();
}

#Github原始碼

後記1：Signal/Slot是我用過的框架裡，深感最棒的執行緒同步機制，簡潔且一致又萬能
待研究：一圈訊息迴路能處理掉多少Queued Slots？畢竟是Queue機制需要考慮生產/消費比例平衡