Qt高級——Qt信號槽機制源碼解析

基于Qt4.8.6版本

一、信號槽機制的原理

1、信號槽簡介

信號槽是觀察者模式的一種實現(xiàn)，特性如下：
A、一個信號就是一個能夠被觀察的事件，或者至少是事件已經(jīng)發(fā)生的一種通知；
B、一個槽就是一個觀察者，通常就是在被觀察的對象發(fā)生改變的時候——也可以說是信號發(fā)出的時候——被調(diào)用的函數(shù)；
C、信號與槽的連接，形成一種觀察者-被觀察者的關(guān)系；
D、當(dāng)事件或者狀態(tài)發(fā)生改變的時候，信號就會被發(fā)出；同時，信號發(fā)出者有義務(wù)調(diào)用所有注冊的對這個事件（信號）感興趣的函數(shù)（槽）。
信號和槽是多對多的關(guān)系。一個信號可以連接多個槽，而一個槽也可以監(jiān)聽多個信號。
信號槽與語言無關(guān)，有多種方法可以實現(xiàn)信號槽，不同的實現(xiàn)機制會導(dǎo)致信號槽的差別很大。信號槽術(shù)語最初來自 Trolltech 公司的 Qt 庫，由于其設(shè)計理念的先進(jìn)性，立刻引起計算機科學(xué)界的注意，提出了多種不同的實現(xiàn)。目前，信號槽依然是 Qt 庫的核心之一，其他許多庫也提供了類似的實現(xiàn)，甚至出現(xiàn)了一些專門提供這一機制的工具庫。
? 信號槽是Qt對象以及其派生類對象之間的一種高效通信接口，是Qt的核心特性，也是Qt區(qū)別與其他工具包的重要地方。信號槽完全獨立于標(biāo)準(zhǔn)的C/C++語言，因此要正確的處理好信號和槽，必須借助于一個成為MOC（Meta Object Compiler）的Qt工具，MOC工具是一個C++預(yù)處理程序，能為高層次的事件處理自動生成所需要的附加代碼。

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2、不同平臺的實現(xiàn)

MFC中的消息機制沒有采用C++中的虛函數(shù)機制，原因是消息太多，虛函數(shù)開銷太大。在Qt中也沒有采用C++中的虛函數(shù)機制，而是采用了信號槽機制，原因與此相同。更深層次的原因上，多態(tài)的底層實現(xiàn)機制只有兩種，一種是按照名稱查表，一種是按照位置查表。兩種方式各有利弊，而C++的虛函數(shù)機制無條件的采用了后者，導(dǎo)致的問題就是在子類很少重載基類實現(xiàn)的時候開銷太大，再加上界面編程中子類眾多的情況，基本上C++的虛函數(shù)機制效率太低，于是各家?guī)斓木帉懻呔椭缓米灾\生路，當(dāng)然，這其實是C++語言本身的缺陷。

二、Qt信號槽實例解析

1、信號槽使用示例

使用簡單的實例：

#ifndef OBJECT_H
#define OBJECT_H

#include 
#include 
#include 

class Object : public QObject
{
    Q_OBJECT
    Q_PROPERTY(int age READ age  WRITE setAge NOTIFY ageChanged)
    Q_PROPERTY(int score READ score  WRITE setScore NOTIFY scoreChanged)
    Q_PROPERTY(Level level READ level WRITE setLevel)
    Q_CLASSINFO("Author", "Scorpio")
    Q_CLASSINFO("Version", "1.0")
public:
    enum Level
    {
        Basic = 1,
        Middle,
        Advanced,
        Master
    };
    Q_ENUMS(Level)
protected:
    QString m_name;
    Level m_level;
    int m_age;
    int m_score;
    void setLevel(const int& score)
    {
        if(score <= 60)
        {
            m_level = Basic;
        }
        else if(score < 100)
        {
            m_level = Middle;
        }
        else if(score < 150)
        {
            m_level = Advanced;
        }
        else
        {
            m_level = Master;
        }
    }
public:
    explicit Object(QString name, QObject *parent = 0):QObject(parent)
    {
        m_name = name;
        setObjectName(m_name);
        connect(this, SIGNAL(ageChanged(int)), this, SLOT(onAgeChanged(int)));
        connect(this, SIGNAL(scoreChanged(int)), this, SLOT(onScoreChanged(int)));
    }

    int age()const
    {
        return m_age;
    }

    void setAge(const int& age)
    {
        m_age = age;
        emit ageChanged(m_age);
    }

    int score()const
    {
        return m_score;
    }

    void setScore(const int& score)
    {
        m_score = score;
        setLevel(m_score);
        emit scoreChanged(m_score);
    }

    Level level()const
    {
        return m_level;
    }

    void setLevel(const Level& level)
    {
        m_level = level;
    }
signals:
    void ageChanged(int age);
    void scoreChanged(int score);
public slots:
     void onAgeChanged(int age)
     {
         qDebug() << "age changed:" << age;
     }
     void onScoreChanged(int score)
     {
         qDebug() << "score changed:" << score;
     }
};

#endif // OBJECT_H

Main函數(shù)：

#include 
#include "Object.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);
    Object ob("object");

    //設(shè)置屬性age
    ob.setProperty("age", QVariant(30));
    qDebug() << "age: " << ob.age();
    qDebug() << "property age: " << ob.property("age").toInt();

    //設(shè)置屬性score
    ob.setProperty("score", QVariant(90));
    qDebug() << "score: " << ob.score();
    qDebug() << "property score: " << ob.property("score").toInt();

    qDebug() << "Level: " << ob.level();
    ob.setProperty("level", 4);
    qDebug() << "level: " << ob.level();
    qDebug() << "Property level: " << ob.property("level").toInt();

    //內(nèi)省intropection,運行時查詢對象信息
    qDebug() << "object name: " << ob.objectName();
    qDebug() << "class name: " << ob.metaObject()->className();
    qDebug() << "isWidgetType: " << ob.isWidgetType();
    qDebug() << "inherit: " << ob.inherits("QObject");

    return a.exec();
}

2、SIGNAL與SLOT宏

SIGNAL與SLOT宏定義在/src/corelib/kernel/Qobjectdefs.h文件中。

Q_CORE_EXPORT const char *qFlagLocation(const char *method);

#define QTOSTRING_HELPER(s) #s
#define QTOSTRING(s) QTOSTRING_HELPER(s)
#ifndef QT_NO_DEBUG
# define QLOCATION "\0" __FILE__ ":" QTOSTRING(__LINE__)
# ifndef QT_NO_KEYWORDS
#  define METHOD(a)   qFlagLocation("0"#a QLOCATION)
# endif
# define SLOT(a)     qFlagLocation("1"#a QLOCATION)
# define SIGNAL(a)   qFlagLocation("2"#a QLOCATION)
#else
# ifndef QT_NO_KEYWORDS
#  define METHOD(a)   "0"#a
# endif
# define SLOT(a)     "1"#a
# define SIGNAL(a)   "2"#a
#endif

SIGNAL與SLOT宏會利用預(yù)編譯器將一些參數(shù)轉(zhuǎn)化成字符串，并且在前面添加上編碼。
在調(diào)試模式中，如果signal的連接出現(xiàn)問題，提示警告信息的時候還會注明對應(yīng)的文件位置。qFlagLocation?用于定位代碼對應(yīng)的行信息，會將對應(yīng)代碼的地址信息注冊到一個有兩個入口的表里。
Object.h文件中有關(guān)SIGNAL與SLOT宏部分代碼如下：

 connect(this, SIGNAL(ageChanged(int)), this, SLOT(onAgeChanged(int)));
     connect(this, SIGNAL(scoreChanged(int)), this, SLOT(onScoreChanged(int)));

通過對Object.h文件進(jìn)行預(yù)編譯，得到Object.i文件。
使用G++進(jìn)行預(yù)編譯：
g++ -E Object.h -o Object.i -I/usr/local/Trolltech/Qt-4.8.6/include/QtCore -I/usr/local/Trolltech/Qt-4.8.6/include -I.
Object.i文件中結(jié)果如下：

connect(this, qFlagLocation("2""ageChanged(int)" "\0" "Object.h" ":" "54"), this, qFlagLocation("1""onAgeChanged(int)" "\0" "Object.h" ":" "54"));
connect(this, qFlagLocation("2""scoreChanged(int)" "\0" "Object.h" ":" "55"), this, qFlagLocation("1""onScoreChanged(int)" "\0" "Object.h" ":" "55"));

3、類的元對象

程序編譯時make調(diào)用MOC對工程源碼進(jìn)行解析，生成相應(yīng)類的moc_xxx.cpp文件，

const QMetaObject Object::staticMetaObject = {
    { &QObject::staticMetaObject, qt_meta_stringdata_Object,
      qt_meta_data_Object, &staticMetaObjectExtraData }
};

靜態(tài)成員staticMetaObject被填充的值如下：
??????const QMetaObject superdata;//元數(shù)據(jù)代表的類的基類的元數(shù)據(jù)，被填充為基類的元數(shù)據(jù)指針&QWidget::staticMetaObject
????const char stringdata;//元數(shù)據(jù)的簽名標(biāo)記,被填充為qt_meta_stringdata_Widget.data
????const uint *data;//元數(shù)據(jù)的索引數(shù)組的指針,被填充為qt_meta_data_Widget
??????? const QMetaObject **extradata;//擴展元數(shù)據(jù)表的指針，內(nèi)部被填充為函數(shù)指針qt_static_metacall。
staticMetaObjectExtraData初始化如下：

const QMetaObjectExtraData Object::staticMetaObjectExtraData = {
    0,  qt_static_metacall 
};

QMetaObjectExtraData類型的內(nèi)部成員static_metacall是一個指向Object::qt_static_metacall 的函數(shù)指針。
Object的內(nèi)存布局如下：

Object內(nèi)存布局已經(jīng)包含了靜態(tài)成員staticMetaObject和
staticMetaObjectExtraData成員。

const QMetaObject *Object::metaObject() const
{
    return QObject::d_ptr->metaObject ? QObject::d_ptr->metaObject : &staticMetaObject;
}

QObject::d_ptr->metaObject僅供動態(tài)元對象（QML對象）使用，所以一般而言，虛函數(shù) metaObject() 僅返回類的 staticMetaObject。

4、元數(shù)據(jù)表

Qt程序編譯時make會調(diào)用MOC工具對源文件進(jìn)行分析，如果某個類包含了Q_OBJECT宏，MOC會生成對應(yīng)的moc_xxx.cpp文件。
moc_Object.cpp文件內(nèi)容中：
Object的元數(shù)據(jù)如下：

static const uint qt_meta_data_Object[] = {

 // content:內(nèi)容信息
       6,       // revision        MOC生成代碼的版本號
       0,       // classname      類名，在qt_meta_stringdata_Object數(shù)組中索引為0
       2,   14, // classinfo       類信息，有2個cassinfo定義，
       4,   18, // methods         類有4個自定義方法，即信號與槽個數(shù)，
       3,   38, // properties      屬性的位置信息，有3個自定義屬性，
       1,   50, // enums/sets      枚舉的位置信息，有一個自定義枚舉，在qt_meta_stringdata_Object數(shù)組中索引為50
       0,    0, // constructors    構(gòu)造函數(shù)的位置信息
       0,       // flags
       2,       // signalCount

 // classinfo: key, value      //類信息的存儲在qt_meta_stringdata_Object數(shù)組中，
      15,    7,            //第一個類信息，key的數(shù)組索引為15，即Author，value的數(shù)組索引為7，即Scorpio
      26,   22,            //第二個類信息，key的數(shù)組索引為26，即Version，value的數(shù)組索引為22，即1.0

 // signals: signature, parameters, type, tag, flags
      39,   35,   34,   34, 0x05,   //第一個自定義信號的簽名存儲在qt_meta_stringdata_Object數(shù)組中，
                    //索引是39，即ageChanged(int)
      61,   55,   34,   34, 0x05,   //第二個自定義信號的簽名存儲在qt_meta_stringdata_Object數(shù)組中，
                    //索引是61，即scoreChanged(int)

 // slots: signature, parameters, type, tag, flags
      79,   35,   34,   34, 0x0a,   //第一個自定義槽函數(shù)的簽名存儲在qt_meta_stringdata_Object數(shù)組中，
                    //索引是79，即onAgeChanged(int)
      97,   55,   34,   34, 0x0a,   //第二個自定義槽函數(shù)的簽名存儲在qt_meta_stringdata_Object數(shù)組中，
                    //索引是79，即onScoreChanged(int)
 // properties: name, type, flags
      35,  117, 0x02495103,         // 第一個自定義屬性的簽名存儲在qt_meta_stringdata_Object中,索引是35,即age
      55,  117, 0x02495103,     // 第二個自定義屬性的簽名存儲在qt_meta_stringdata_Object中,索引是55,即score
     127,  121, 0x0009510b,     // 第三個自定義屬性的簽名存儲在qt_meta_stringdata_Object中,索引是127,即level

 // properties: notify_signal_id    //屬性關(guān)聯(lián)的信號編號
       0,   
       1,
       0,

 // enums: name, flags, count, data
     121, 0x0,    4,   54,         //枚舉的定義，存儲在qt_meta_stringdata_Object中，索引是121，即Level，內(nèi)含4個枚舉常量

 // enum data: key, value          //枚舉數(shù)據(jù)的鍵值對
     133, uint(Object::Basic),     //數(shù)組索引是133，即Basic
     139, uint(Object::Middle),    //數(shù)組索引是139，即Middle
     146, uint(Object::Advanced),  //數(shù)組索引是146，即Advanced
     155, uint(Object::Master),    //數(shù)組索引是155，即Master

       0        // eod   元數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)記
};

內(nèi)省表是一個 uint 數(shù)組，分為五個部分：第一部分content，即內(nèi)容，分為9行。第一行revision，指MOC生成代碼的版本號（Qt4 是6，Qt5則是7）。第二個classname，即類名，該值是一個索引，指向字符串表的某一個位置（本例中就是第0位）。

static const char qt_meta_stringdata_Object[] = {
    "Object\0Scorpio\0Author\0""1.0\0Version\0\0"
    "age\0ageChanged(int)\0score\0scoreChanged(int)\0"
    "onAgeChanged(int)\0onScoreChanged(int)\0"
    "int\0Level\0level\0Basic\0Middle\0Advanced\0"
    "Master\0"
};

5、信號的實現(xiàn)

MOC在生成的moc_xxx.cpp文件中實現(xiàn)了信號，創(chuàng)建了一個指向參數(shù)的指針的數(shù)組，并將指針數(shù)組傳給QMetaObject::activate函數(shù)。數(shù)組的第一個元素是返回值。本例中值是0，因為返回值是void。傳給activate函數(shù)的第三個參數(shù)是信號的索引（本例中是0）。

// SIGNAL 0，ageChanged信號的實現(xiàn)
void Object::ageChanged(int _t1)
{
    void *_a[] = { 0, const_cast(reinterpret_cast(&_t1)) };
    QMetaObject::activate(this, &staticMetaObject, 0, _a);
}

// SIGNAL 1  scoreChanged信號的實現(xiàn)
void Object::scoreChanged(int _t1)
{
    void *_a[] = { 0, const_cast(reinterpret_cast(&_t1)) };
    QMetaObject::activate(this, &staticMetaObject, 1, _a);
}

6、槽函數(shù)的調(diào)用

利用槽函數(shù)在qt_static_metacall 函數(shù)的索引位置來調(diào)用槽函數(shù)：

void Object::qt_static_metacall(QObject *_o, QMetaObject::Call _c, int _id, void **_a)
{
    if (_c == QMetaObject::InvokeMetaMethod) {
        Q_ASSERT(staticMetaObject.cast(_o));
        Object *_t = static_cast