跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)框架Qt最新資訊：Qt6中的異步API

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Qt（發(fā)音為“ cute”，而不是“ cu-tee”）是一個(gè)跨平臺(tái)框架，通常用作圖形工具包，它不僅創(chuàng)建CLI應(yīng)用程序中非常有用。而且它也可以在三種主要的臺(tái)式機(jī)操作系統(tǒng)以及移動(dòng)操作系統(tǒng)（如Symbian，Nokia Belle，Meego Harmattan，MeeGo或BB10）以及嵌入式設(shè)備，Android（Necessitas）和iOS的端口上運(yùn)行。現(xiàn)在我們?yōu)槟闾峁┝嗣赓M(fèi)的試用版。趕快點(diǎn)擊下載Qt最新試用版吧>>

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 大家可能知道Qt提供了幾種多線程結(jié)構(gòu)（線程，互斥體，等待條件等），以及更高級(jí)別的API，如QThreadPoolQt Concurrent和其他相關(guān)類(lèi)。在本文中，我們將專(zhuān)注于更高級(jí)別的異步API和Qt 6中引入的更改。

Qt中更高級(jí)別的并發(fā)API

 Qt Concurrent通過(guò)消除對(duì)低級(jí)同步（基元，例如互斥鎖和鎖）的需求，并手動(dòng)管理多個(gè)線程，使多線程編程變得更加容易。它為并行處理可迭代容器提供了映射，過(guò)濾和歸約算法（從功能編程中可以更好地了解）。此外，還有類(lèi)QFuture，QFutureWatcher和，QFutureSynchronizer用于訪問(wèn)和監(jiān)視異步計(jì)算的結(jié)果。盡管所有這些都非常有用，但是仍然存在一些缺點(diǎn)，例如無(wú)法使用QFuture 在Qt Concurrent之外，缺乏對(duì)鏈接多個(gè)計(jì)算以簡(jiǎn)化和簡(jiǎn)潔代碼的支持，缺乏Qt Concurrent API的靈活性等。對(duì)于Qt 6，目前正在嘗試解決這些問(wèn)題，并使Qt的多線程編程更加有趣 ！

將延續(xù)附加到QFuture

 多線程編程中的一種常見(jiàn)情況是運(yùn)行異步計(jì)算，這又需要調(diào)用另一個(gè)異步計(jì)算并將數(shù)據(jù)傳遞給該異步計(jì)算，該異步計(jì)算依賴于另一個(gè)計(jì)算，依此類(lèi)推。由于每個(gè)階段都需要上一個(gè)階段的結(jié)果，因此您需要等待（通過(guò)阻止或輪詢）直到上一個(gè)階段完成并使用其結(jié)果，或者以“回調(diào)”的方式構(gòu)造代碼。這些選項(xiàng)都不是完美的：要么浪費(fèi)資源等待時(shí)間，要么獲取復(fù)雜的無(wú)法維護(hù)的代碼。添加新的階段或邏輯（用于錯(cuò)誤處理等）會(huì)進(jìn)一步增加復(fù)雜性。

 為了更好地理解問(wèn)題，讓我們考慮以下示例。假設(shè)我們要從網(wǎng)絡(luò)下載大圖像，對(duì)其進(jìn)行一些繁重的處理，然后在我們的應(yīng)用程序中顯示生成的圖像。因此，我們執(zhí)行以下步驟：

• 發(fā)出網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求并等待，直到收到所有數(shù)據(jù)
• 根據(jù)原始數(shù)據(jù)創(chuàng)建圖像
• 處理圖像
• 展示下

對(duì)于每個(gè)需要依次調(diào)用的步驟，我們都有以下方法：

QByteArray download(const QUrl &url);
QImage createImage(const QByteArray &data);
QImage processImage(const QImage &image);
void show(const QImage &image);

我們可以使用QtConcurrent異步運(yùn)行這些任務(wù)并QFutureWatcher監(jiān)視進(jìn)度：

void loadImage(const QUrl &url) {
    QFuture data = QtConcurrent::run(download, url);
    QFutureWatcher dataWatcher;
    dataWatcher.setFuture(data);
    
    connect(&dataWatcher, &QFutureWatcher ::finished, this, [=] {
        // handle possible errors
        // ...
        QImage image = createImage(data);
        // Process the image
        // ...
        QFuture processedImage = QtConcurrent::run(processImage, image);
        QFutureWatcher<QImage> imageWatcher;
        imageWatcher.setFuture(processedImage);

        connect(&imageWatcher, &QFutureWatcher::finished, this, [=] {
            // handle possible errors
            // ...
            show(processedImage);
        });
    });
}

 我們要添加到鏈中的步驟越多越難看。QFuture通過(guò)添加對(duì)通過(guò)QFuture::then()方法附加延續(xù)的支持，可以幫助解決此問(wèn)題：

auto future = QtConcurrent::run(download, url)
            .then(createImage)
            .then(processImage)
            .then(show);

這無(wú)疑看起來(lái)要好得多！但是缺少一件事：錯(cuò)誤處理。您可以執(zhí)行以下操作：

auto future = QtConcurrent::run(download, url)
            .then([](QByteArray data) {
                // handle possible errors from the previous step
                // ...
                return createImage(data);
            })    
            .then(...)    
            ...

 這將起作用，但是錯(cuò)誤處理代碼仍與程序邏輯混合在一起。另外，如果其中一個(gè)步驟失敗，我們可能也不想運(yùn)行整個(gè)鏈。這可以通過(guò)使用QFuture::onFailed()方法來(lái)解決，該方法允許我們?yōu)槊糠N可能的錯(cuò)誤類(lèi)型附加特定的錯(cuò)誤處理程序：

auto future = QtConcurrent::run(download, url)
            .then(createImage)
            .then(processImage)
            .then(show)
            .onFailed([](QNetworkReply::NetworkError) {
                // handle network errors
            })
            .onFailed([](ImageProcessingError) {
                // handle image processing errors
            })
            .onFailed([] {
                // handle any other error
            });

 請(qǐng)注意，使用.onFailed()需要啟用異常類(lèi)。如果任何步驟失敗并發(fā)生異常，則鏈會(huì)中斷，并調(diào)用與拋出的異常類(lèi)型匹配的錯(cuò)誤處理程序。

根據(jù)信號(hào)創(chuàng)建QFuture

 給定一個(gè)帶有signal 的QObject基于類(lèi)，您可以通過(guò)以下方式將此用作Future類(lèi)：MyObjectvoid mySignal(int)

QFuture intFuture = QtFuture::connect(&object, &MyObject::mySignal);

現(xiàn)在，您可以將延續(xù)，失敗或取消處理程序附加到最終的結(jié)果上。

 請(qǐng)注意，最終結(jié)果的類(lèi)型與signal的自變量類(lèi)型匹配。如果沒(méi)有參數(shù)，則 返回 QFuture<void>。如果有多個(gè)參數(shù)，則結(jié)果存儲(chǔ)在中std::tuple。

 讓我們回到圖像處理示例的第一步（即下載），以了解這在實(shí)踐中如何有用。有很多方法可以實(shí)現(xiàn)它，我們將使用QNetworkAccessManager來(lái)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求并獲取數(shù)據(jù)：

QNetworkAccessManager manager;    
...

QByteArray download(const QUrl &url) {        
    QNetworkReply *reply = manager.get(QNetworkRequest(url));
    QObject::connect(reply, &QNetworkReply::finished, [reply] {...});
    
    // wait until we've received all data
    // ...    
    return data;        
}

 但是上面的阻塞等待不是很好，如果我們可以避開(kāi)它那就更好了，比如說(shuō)“當(dāng)QNetworkAccessManager獲取數(shù)據(jù)時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)圖像，然后對(duì)其進(jìn)行處理然后顯示”。我們可以通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)管理器的finished()信號(hào)連接到QFuture：

QNetworkReply *reply = manager.get(QNetworkRequest(url));

auto future = QtFuture::connect(reply, &QNetworkReply::finished)
        .then([reply] {
            return reply->readAll();
        })
        .then(QtFuture::Launch::Async, createImage)
        .then(processImage)
        .then(show)        
        ...

 您會(huì)注意到，現(xiàn)在我們不再使用QtConcurrent::run()異步下載而是在新線程中返回?cái)?shù)據(jù)，我們只是連接到QNetworkAccessManager::finished()信號(hào)，從而開(kāi)始了計(jì)算鏈。還請(qǐng)注意以下行中的其他參數(shù)：

        .then(QtFuture::Launch::Async, createImage)

 默認(rèn)情況下.then()在父進(jìn)程運(yùn)行所在的同一線程（在本例中為主線程）中調(diào)用by附加的延續(xù)。現(xiàn)在，我們不再使用QtConcurrent::run()異步啟動(dòng)鏈，我們需要傳遞附加QtFuture::Launch::Async參數(shù)，以在單獨(dú)的線程中啟動(dòng)連續(xù)鏈，并避免阻塞UI。

創(chuàng)建一個(gè)QFuture

 到目前為止，在QFuture內(nèi)部創(chuàng)建和存儲(chǔ)值的唯一“官方”方法是QtConcurrent中的一種方法。所以QtConcurrent以外，QFuture不是很有用。在Qt 6中，將Andrei Golubev引入了“Setter”, QFuture: QPromise的對(duì)應(yīng)物。它可用于為異步計(jì)算設(shè)置值，進(jìn)度和異常，以后可通過(guò)訪問(wèn)QFuture。為了演示其工作原理，讓我們?cè)俅沃貙?xiě)圖像處理示例，并使用QPromise該類(lèi)：

QFuture download(const QUrl &url) {
    QPromise promise;
    QFuture future = promise.future();
    
    promise.reportStarted(); // notify that download is started
    
    QNetworkReply *reply = manager.get(QNetworkRequest(url));
    QObject::connect(reply, &QNetworkReply::finished,
            [reply, p = std::move(promise)] {
                p.addResult(reply->readAll());
                p.reportFinished(); // notify that download is finished
                reply->deleteLater();
            });
    
    return future;
}
auto future = download()
        .then(QtFuture::Launch::Async, createImage)
        .then(processImage)
        .then(show)
        ...

QtConcurrent的變化

-現(xiàn)在，您可以為QtConcurrent的所有方法設(shè)置自定義線程池，而不是始終在全局線程池上運(yùn)行它們并可能阻止其他任務(wù)的執(zhí)行。
-映射和過(guò)濾器縮小算法現(xiàn)在可以采用初始值，因此您不必為沒(méi)有默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)的類(lèi)型做變通辦法。
 - QtConcurrent::run進(jìn)行了改進(jìn)，可以處理可變數(shù)量的參數(shù)和僅移動(dòng)類(lèi)型。

 此外，我們?cè)赒tConcurrent中添加了兩個(gè)新的API，以為用戶提供更大的靈活性。讓我們更詳細(xì)地看一下。

QtConcurrent :: runWithPromise

 QtConcurrent::runWithPromise()Jarek Kobus開(kāi)發(fā)的新方法是QtConcurrent框架的另一個(gè)不錯(cuò)的補(bǔ)充。它非常類(lèi)似于QtConcurrent::run()，不同之處在于，它使QPromise與給定任務(wù)相關(guān)聯(lián)的對(duì)象可供用戶訪問(wèn)。

auto future = QtConcurrent::runWithPromise(
            [] (QPromise &promise, /* other arguments may follow */ ...) {
                // ...
                for (auto value : listOfValues) {
                    if (promise.isCanceled())
                        // handle the cancellation
        
                // do some processing...
        
                promise.addResult(...);
                promise.setProgressValue(...);
                }
            },
            /* pass other arguments */ ...);

 runWithPromise()用戶可以更好地控制任務(wù)，并且可以響應(yīng)取消或暫停請(qǐng)求，進(jìn)行進(jìn)度報(bào)告等操作，而這些使用QtConcurrent::run()是不可能實(shí)現(xiàn)的。

QtConcurrent ::任務(wù)

 QtConcurrent::task()提供了一個(gè)流暢的界面，用于在單獨(dú)的線程中運(yùn)行任務(wù)。它對(duì)于QtConcurrent::run()是更為現(xiàn)代的替代方案，并配置任務(wù)的方式也更為方便。您可以使用任何順序指定參數(shù)，跳過(guò)不需要的參數(shù)，等等，而不是使用少數(shù)幾個(gè)參數(shù)之一來(lái)傳遞參數(shù)來(lái)運(yùn)行任務(wù)。例如：

QFuture future = QtConcurrent::task(doSomething)
        .withArguments(1, 2, 3)
        .onThreadPool(pool)
        .withPriority(10)
        .spawn();

請(qǐng)注意，與run（）不同，您還可以為任務(wù)傳遞優(yōu)先級(jí)。

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