Qt高级——Qt信号槽机制源码解析

基于Qt4.8.6版本

一、信号槽机制的原理

1、信号槽简介

信号槽是观察者模式的一种实现，特性如下：
A、一个信号就是一个能够被观察的事件，或者至少是事件已经发生的一种通知；
B、一个槽就是一个观察者，通常就是在被观察的对象发生改变的时候——也可以说是信号发出的时候——被调用的函数；
C、信号与槽的连接，形成一种观察者-被观察者的关系；
D、当事件或者状态发生改变的时候，信号就会被发出；同时，信号发出者有义务调用所有注册的对这个事件（信号）感兴趣的函数（槽）。
信号和槽是多对多的关系。一个信号可以连接多个槽，而一个槽也可以监听多个信号。
信号槽与语言无关，有多种方法可以实现信号槽，不同的实现机制会导致信号槽的差别很大。信号槽术语最初来自 Trolltech 公司的 Qt 库，由于其设计理念的先进性，立刻引起计算机科学界的注意，提出了多种不同的实现。目前，信号槽依然是 Qt 库的核心之一，其他许多库也提供了类似的实现，甚至出现了一些专门提供这一机制的工具库。
  信号槽是Qt对象以及其派生类对象之间的一种高效通信接口，是Qt的核心特性，也是Qt区别与其他工具包的重要地方。信号槽完全独立于标准的C/C++语言，因此要正确的处理好信号和槽，必须借助于一个成为MOC（Meta Object Compiler）的Qt工具，MOC工具是一个C++预处理程序，能为高层次的事件处理自动生成所需要的附加代码。

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2、不同平台的实现

MFC中的消息机制没有采用C++中的虚函数机制，原因是消息太多，虚函数开销太大。在Qt中也没有采用C++中的虚函数机制，而是采用了信号槽机制，原因与此相同。更深层次的原因上，多态的底层实现机制只有两种，一种是按照名称查表，一种是按照位置查表。两种方式各有利弊，而C++的虚函数机制无条件的采用了后者，导致的问题就是在子类很少重载基类实现的时候开销太大，再加上界面编程中子类众多的情况，基本上C++的虚函数机制效率太低，于是各家库的编写者就只好自谋生路，当然，这其实是C++语言本身的缺陷。

二、Qt信号槽实例解析

1、信号槽使用示例

使用简单的实例：

#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函数：

#include 
#include "Object.h"

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

    //设置属性age
    ob.setProperty("age", QVariant(30));
    qDebug() << "age: " << ob.age();
    qDebug() << "property age: " << ob.property("age").toInt();

    //设置属性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();

    //内省intropection,运行时查询对象信息
    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与SLOT宏

SIGNAL与SLOT宏定义在/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与SLOT宏会利用预编译器将一些参数转化成字符串，并且在前面添加上编码。
在调试模式中，如果signal的连接出现问题，提示警告信息的时候还会注明对应的文件位置。qFlagLocation 用于定位代码对应的行信息，会将对应代码的地址信息注册到一个有两个入口的表里。
Object.h文件中有关SIGNAL与SLOT宏部分代码如下：

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

通过对Object.h文件进行预编译，得到Object.i文件。
使用G++进行预编译：
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文件中结果如下：

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、类的元对象

程序编译时make调用MOC对工程源码进行解析，生成相应类的moc_xxx.cpp文件，

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

静态成员staticMetaObject被填充的值如下：
      const QMetaObject superdata;//元数据代表的类的基类的元数据，被填充为基类的元数据指针&QWidget::staticMetaObject
    const char stringdata;//元数据的签名标记,被填充为qt_meta_stringdata_Widget.data
    const uint *data;//元数据的索引数组的指针,被填充为qt_meta_data_Widget
        const QMetaObject **extradata;//扩展元数据表的指针，内部被填充为函数指针qt_static_metacall。
staticMetaObjectExtraData初始化如下：

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

QMetaObjectExtraData类型的内部成员static_metacall是一个指向Object::qt_static_metacall 的函数指针。
Object的内存布局如下：

Object内存布局已经包含了静态成员staticMetaObject和
staticMetaObjectExtraData成员。

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

QObject::d_ptr->metaObject仅供动态元对象（QML对象）使用，所以一般而言，虚函数 metaObject() 仅返回类的 staticMetaObject。

4、元数据表

Qt程序编译时make会调用MOC工具对源文件进行分析，如果某个类包含了Q_OBJECT宏，MOC会生成对应的moc_xxx.cpp文件。
moc_Object.cpp文件内容中：
Object的元数据如下：

static const uint qt_meta_data_Object[] = {

 // content:内容信息
       6,       // revision        MOC生成代码的版本号
       0,       // classname      类名，在qt_meta_stringdata_Object数组中索引为0
       2,   14, // classinfo       类信息，有2个cassinfo定义，
       4,   18, // methods         类有4个自定义方法，即信号与槽个数，
       3,   38, // properties      属性的位置信息，有3个自定义属性，
       1,   50, // enums/sets      枚举的位置信息，有一个自定义枚举，在qt_meta_stringdata_Object数组中索引为50
       0,    0, // constructors    构造函数的位置信息
       0,       // flags
       2,       // signalCount

 // classinfo: key, value      //类信息的存储在qt_meta_stringdata_Object数组中，
      15,    7,            //第一个类信息，key的数组索引为15，即Author，value的数组索引为7，即Scorpio
      26,   22,            //第二个类信息，key的数组索引为26，即Version，value的数组索引为22，即1.0

 // signals: signature, parameters, type, tag, flags
      39,   35,   34,   34, 0x05,   //第一个自定义信号的签名存储在qt_meta_stringdata_Object数组中，
                    //索引是39，即ageChanged(int)
      61,   55,   34,   34, 0x05,   //第二个自定义信号的签名存储在qt_meta_stringdata_Object数组中，
                    //索引是61，即scoreChanged(int)

 // slots: signature, parameters, type, tag, flags
      79,   35,   34,   34, 0x0a,   //第一个自定义槽函数的签名存储在qt_meta_stringdata_Object数组中，
                    //索引是79，即onAgeChanged(int)
      97,   55,   34,   34, 0x0a,   //第二个自定义槽函数的签名存储在qt_meta_stringdata_Object数组中，
                    //索引是79，即onScoreChanged(int)
 // properties: name, type, flags
      35,  117, 0x02495103,         // 第一个自定义属性的签名存储在qt_meta_stringdata_Object中,索引是35,即age
      55,  117, 0x02495103,     // 第二个自定义属性的签名存储在qt_meta_stringdata_Object中,索引是55,即score
     127,  121, 0x0009510b,     // 第三个自定义属性的签名存储在qt_meta_stringdata_Object中,索引是127,即level

 // properties: notify_signal_id    //属性关联的信号编号
       0,   
       1,
       0,

 // enums: name, flags, count, data
     121, 0x0,    4,   54,         //枚举的定义，存储在qt_meta_stringdata_Object中，索引是121，即Level，内含4个枚举常量

 // enum data: key, value          //枚举数据的键值对
     133, uint(Object::Basic),     //数组索引是133，即Basic
     139, uint(Object::Middle),    //数组索引是139，即Middle
     146, uint(Object::Advanced),  //数组索引是146，即Advanced
     155, uint(Object::Master),    //数组索引是155，即Master

       0        // eod   元数据结束标记
};

内省表是一个 uint 数组，分为五个部分：第一部分content，即内容，分为9行。第一行revision，指MOC生成代码的版本号（Qt4 是6，Qt5则是7）。第二个classname，即类名，该值是一个索引，指向字符串表的某一个位置（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、信号的实现

MOC在生成的moc_xxx.cpp文件中实现了信号，创建了一个指向参数的指针的数组，并将指针数组传给QMetaObject::activate函数。数组的第一个元素是返回值。本例中值是0，因为返回值是void。传给activate函数的第三个参数是信号的索引（本例中是0）。

// SIGNAL 0，ageChanged信号的实现
void Object::ageChanged(int _t1)
{
    void *_a[] = { 0, const_cast(reinterpret_cast(&_t1)) };
    QMetaObject::activate(this, &staticMetaObject, 0, _a);
}

// SIGNAL 1  scoreChanged信号的实现
void Object::scoreChanged(int _t1)
{
    void *_a[] = { 0, const_cast(reinterpret_cast(&_t1)) };
    QMetaObject::activate(this, &staticMetaObject, 1, _a);
}

6、槽函数的调用

利用槽函数在qt_static_metacall 函数的索引位置来调用槽函数：

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