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用ISO C++实现自己的信号槽(Qt另类学习)

第七根弦 2015 年 7 月 24 日 QT 发表评论 (0)

有网友抱怨：

哪个大牛能帮帮我，讲解一下信号槽机制的底层实现？
不要那种源码的解析，只要清楚的讲讲是怎么发送信号，怎么去选择相应的槽，再做出反应。也就是类似于一个信号槽的相应流程。。。求解啊！！！
看了源码，真的是一头雾水。。。撞墙的心都有了~~~~

本文使用 ISO C++ 一步一步实现了一个极度简化的信号与槽的系统 (整个程序4个文件共121行代码) 。希望能有助于刚进入Qt世界的C++用户理解Qt最核心的信号槽与元对象系统是如何工作的。
注：Qt5 staging仓库已经引入一种全新的信号与槽的语法：信号可以和普通的函数、类的普通成员函数、lambda函数连接（而不再局限于信号函数和槽函数）

Qt信号与槽

GUI程序中，当我们我们点击一个按钮时，我们会期待我们自定义的某个函数被调用。对此，较老的工具集(toolkits)都是通过回调函数(callback)来实现的，Qt的神奇之处就在于，它使用信号(signal)与槽(slot)的技术来取代了回调。

在继续之前，我们先看一眼最最常用的 connnect 函数：

C++
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connect(btn, "2clicked()", this, "1onBtnClicked()")

可能你会觉得稍有点眼生，因为为了清楚起见，我没有直接使用大家很熟悉的SIGNAL和SLOT两个宏，宏定义如下：

C++
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# define SLOT(a)     "1"#a
# define SIGNAL(a)   "2"#a

程序运行时，connect借助两个字符串，即可将信号与槽的关联建立起来，那么，它是如果做到的呢？C++的经验可以告诉我们：

  • 类中应该保存有信号和槽的字符串信息
  • 字符串和信号槽函数要关联

而这，就是通过神奇的元对象系统所实现的（Qt的元对象系统预处理器叫做moc，对文件预处理之后生成一个moc_xxx.cpp文件，然后和其他文件一块编译即可）。

接下来，我们不妨尝试用纯C++来实现自己的元对象系统(我们需要有一个自己的预处理器，本文中用双手来代替了，预处理生成的文件是db_xxx.cpp)。

继续之前，我们可以先看一下我们最终的类定义

C++
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class Object  
{  
    DB_OBJECT
public:  
    Object();  
    virtual ~Object();  
    static void db_connect(Object *, const char *, Object *, const char *);  
    void testSignal();  
db_signals:  
    void sig1();  
public db_slots:  
    void slot1();  
friend class MetaObject;  
private:  
     ConnectionMap connections;  
};

引入元对象系统

首先定义自己的信号和槽

  • 为了和普通成员进行区别(以使得预处理器可以知道如何提取信息)，我们需要创造一些”关键字”
  • db_signals
  • db_slots

C++
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class Object
{
public:
    Object();
    virtual ~Object();
db_signals:
    void sig1();
public db_slots:
    void slot1();
};

  • 通过自己的预处理器，将信息提取取来，放置到一个单独的文件中（比如db_object.cpp）:
  • 规则很简单，将信号和槽的名字提取出来，放到字符串中。可以有多个信号或槽，按顺序”sig1/nsig2/n”

C++
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static const char sig_names[] = "sig1/n";
static const char slts_names[] = "slot1/n";

  • 这些信号和槽的信息，如何才能与类建立关联，如何被访问呢？

我们可以定义一个类，来存放信息：

C++
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struct MetaObject
{
    const char * sig_names;
    const char * slts_names;
};

然后将其作为一个Object的静态成员(注意哦，这就是我们的元对象啦 )：

C++
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class Object
{
    static MetaObject meta;
...

这样一来，我们的预处理器可以生成这样的 db_object.cpp 文件：

C++
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#include "object.h"
 
static const char sig_names[] = "sig1/n";
static const char slts_names[] = "slot1/n";
MetaObject Object::meta = {sig_names, slts_names};

信息提取的问题解决了：可是，还有一个严重问题，我们定义的关键字 C++ 编译器不认识啊，怎么办？

呵呵，好办，通过定义一下宏，问题是不是解决了：

C++
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#define db_slots
#define db_signals protected

建立信号槽链接

我们的最终目的就是：当信号被触发的时候，能找到并触发相应的槽。所以有了信号和槽的信息，我们就可以建立信号和槽的连接了。我们通过 db_connect 将信号和槽的对应关系保存到一个 mutlimap 中：

C++
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struct Connection
{
    Object * receiver;
    int method;
};
 
class Object
{
public:
...
    static void db_connect(Object*, const char*, Object*, const char*);
...
private:
    std::multimap<int, Connection> connections;

上面应该不需要什么解释了，我们直接看看db_connect该怎么写：

C++
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void Object::db_connect(Object* sender, const char* sig, Object* receiver, const char* slt)
{
    int sig_idx = find_string(sender->meta.sig_names, sig);
    int slt_idx = find_string(receiver->meta.slts_names, slt);
    if (sig_idx == -1 || slt_idx == -1) {
        perror("signal or slot not found!");
    } else {
        Connection c = {receiver, slt_idx};
        sender->connections.insert(std::pair<int, Connection>(sig_idx, c));
    }
}

首先从元对象信息中查找信号和槽的名字是否存在，如果存在，则将信号的索引和接收者的信息存入信号发送者的的一个map中。如果信号或槽无效，就什么都不用做了。

我们这儿定义了一个find_string函数，就是个简单的字符串查找(此处就不列出了)。

信号的激活

连接信息有了，我们看看信号到底是怎么发出的。

在 Qt 中，我们都知道用 emit 来发射信号：

C++
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class Object
{
public:
    void testSignal()
...
};
 
void Object::testSignal()
{
    db_emit sig1();
}

这儿 db_emit 是神马东西？C++编译器不认识啊，没关系，看仔细喽，加一行就行了

C++
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#define db_emit

从前面我的Object定义中可以看到，所谓的信号或槽，都只是普普通通的C++类的成员函数。既然是成员函数，就需要函数定义：

  • 槽函数：由于它包含我们需要的功能代码，我们都会想到在 object.cpp 文件中去定义它，不存在问题。
  • 信号函数：它的函数体不需要自己编写。那么它在哪儿呢？这就是本节的内容了

信号函数由我们的”预处理器”来生成，也就是它要定义在我们的 db_object.cpp 文件中：

C++
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void Object::sig1()
{
    MetaObject::active(this, 0);
}

我们预处理源文件时，就知道它是第几个信号。所以根据它的索引去调用和它关联的槽即可。具体工作交给了MetaObject类：

C++
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class Object;
struct MetaObject
{
    const char * sig_names;
    const char * slts_names;
 
    static void active(Object * sender, int idx);
};

这个函数该怎么写呢：思路很简单

  • 从前面的保存连接的map中，找出与该信号关联的对象和槽
  • 调用该对象这个槽

C++
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typedef std::multimap<int, Connection> ConnectionMap;
typedef std::multimap<int, Connection>::iterator ConnectionMapIt;
 
void MetaObject::active(Object* sender, int idx)
{
    ConnectionMapIt it;
    std::pair<ConnectionMapIt, ConnectionMapIt> ret;
    ret = sender->connections.equal_range(idx);
    for (it=ret.first; it!=ret.second; ++it) {
        Connection c = (*it).second;
        //c.receiver->metacall(c.method);
    }
}

补遗：

槽的调用

这个最后一个关键问题了，槽函数如何根据一个索引值进行调用。

  • 直接调用槽函数我们都知道了，就一个普通函数
  • 可现在通过索引调用了，那么我们必须定义一个接口函数

C++
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class Object
{
    void metacall(int idx);
...

该函数如何实现呢？这个又回到我们的元对象预处理过程中了，因为在预处理的过程，我们能将槽的索引和槽的调用关联起来。

所以，在预处理生成的文件(db_object.cpp)中，我们很容易生成其定义：

C++
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void Object::metacall(int idx)
{
    switch (idx) {
        case 0:
            slot1();
            break;
        default:
            break;
    };
}

至此，我们已经实现的一个简化的自己的信号与槽的程序。下面我们总体上看看程序的所有代码：

全家福

  • 类定义文件 object.h

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#ifndef DB_OBJECT
#define DB_OBJECT
#include <map>
# define db_slots
# define db_signals protected
# define db_emit
class Object;
struct MetaObject
{
    const char * sig_names;
    const char * slts_names;
    static void active(Object * sender, int idx);
};
struct Connection
{
    Object * receiver;
    int method;
};
typedef std::multimap<int, Connection> ConnectionMap;
typedef std::multimap<int, Connection>::iterator ConnectionMapIt;
class Object
{
    static MetaObject meta;
    void metacall(int idx);
public:
    Object();
    virtual ~Object();
    static void db_connect(Object*, const char*, Object*, const char*);
    void testSignal();
db_signals:
    void sig1();
public db_slots:
    void slot1();
friend class MetaObject;
private:
     ConnectionMap connections;
};
#endif

  • 类实现文件 object.cpp

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#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "object.h"
Object::Object()
{
}
Object::~Object()
{
}
static int find_string(const char * str, const char * substr)
{
    if (strlen(str) < strlen(substr))
        return -1;
    int idx = 0;
    int len = strlen(substr);
    bool start = true;
    const char * pos = str;
    while (*pos) {
        if (start && !strncmp(pos, substr, len) && pos[len]=='/n')
            return idx;
        start = false;
        if (*pos == '/n') {
            idx++;
            start = true;
        }
        pos++;
    }
    return -1;
}
void Object::db_connect(Object* sender, const char* sig, Object* receiver, const char* slt)
{
    int sig_idx = find_string(sender->meta.sig_names, sig);
    int slt_idx = find_string(receiver->meta.slts_names, slt);
    if (sig_idx == -1 || slt_idx == -1) {
        perror("signal or slot not found!");
    } else {
        Connection c = {receiver, slt_idx};
        sender->connections.insert(std::pair<int, Connection>(sig_idx, c));
    }
}
void Object::slot1()
{
    printf("hello dbzhang800!");
}
void MetaObject::active(Object* sender, int idx)
{
    ConnectionMapIt it;
    std::pair<ConnectionMapIt, ConnectionMapIt> ret;
    ret = sender->connections.equal_range(idx);
    for (it=ret.first; it!=ret.second; ++it) {
        Connection c = (*it).second;
        c.receiver->metacall(c.method);
    }
}
void Object::testSignal()
{
    db_emit sig1();
}

  • 我们自己的预处理需要生成这样一个文件 db_object.cpp
  • 注意看这个文件：其实内容非常简单
    • 将信号和槽的信息存放到字符串中 ==>按顺序排放，所以有了索引值
    • 信号发射 其实就是 信号函数==> 信号的索引
    • metacall 其实就是 槽的索引==> 槽函数

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#include "object.h"
static const char sig_names[] = "sig1/n";
static const char slts_names[] = "slot1/n";
MetaObject Object::meta = {sig_names, slts_names};
void Object::sig1()
{
    MetaObject::active(this, 0);
}
void Object::metacall(int idx)
{
    switch (idx) {
        case 0:
            slot1();
            break;
        default:
            break;
    };
}

  • 最后，我们可以写一个小小的例子main.cpp ：

C++
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#include "object.h"
int main()
{
    Object obj1, obj2;
    Object::db_connect(&obj1, "sig1", &obj2, "slot1");
    obj1.testSignal();
    return 0;
}

  • 程序的编译就不用多数了，用你熟悉的msvc或者g++

Shell
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cl main.cpp object.cpp db_object.cpp -o dbzhang800
g++ main.cpp object.cpp db_object.cpp -o dbzhang800

零零散散，写在后面

我不确定是不是已经元对象系统和信号槽最基本的概念表达清楚了。反正我想，如果你对Qt感兴趣，相对Qt的信号和槽进一步的了解，但是目前尚对阅读Qt的源码觉得无比恐怖，本文可能会对你有帮助。

文中将东西精简到我个人能做到的极限了，所以有很多很多没提到的东西：

Q_OBJECT

用Qt，我们都知道这个宏，可是我们前面压根没提。因为我怕打乱思路，这儿补上吧。我的前面的代码可以替换为：

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# define DB_OBJECT static MetaObject meta; void metacall(int idx);
 
class Object
{
   DB_OBJECT

DB_OBJECT 还可以作为一个标记：如果我们写好了自己的类似于Qt中的moc的预处理器，如何判断一个文件是否需要预处理来生成 db_object.cpp 文件呢？此时就可以根据类定义中是否有宏来判断。

题外： 为什么添加宏后会容易遇到链接错误？你能看到原因么？因为它展开后就是类的成员，可是其定义要通过预处理进行生成。如果你没有运行预处理器，也就没有 db_object.cpp 这种文件，肯定要出错了。

Connection

我们前面在Connection只保存了接收者的指针和槽的索引，我们可以保存更多一点的信息的：可以看看Qt保存了哪些东西

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QObjectPrivate::Connection *c = new QObjectPrivate::Connection;
    c->sender = s;
    c->receiver = r;
    c->method = method_index;
    c->connectionType = type;
    c->argumentTypes = types;
    c->nextConnectionList = 0;

应该很容易看懂，不做解释了。

Qt中信号和槽主要有直接连接和队列连接两种方式，我们这儿只提到了前者，后者和Qt的事件系统搅和在一起。只要搞清楚了Qt事件系统，就会发现和直接连接没有什么区别了。

其他

信号和槽的参数

这个，例子中举的都是信号和槽都是无参数的例子。加上参数，尽管概念上没变化，但复杂度就大大提高了。所以本文对此不想涉及，也没必要吧，直接去看Qt的源码吧。

信号和信号连接

信号和槽一样，都可以被调用，本例进行扩展也很容易，需要metacall那个函数，以及信号和槽要加个区别的标记(回到最前面不妨看看Qt的SLOT和SIGNAL究竟是神马东西)。

派生

本文中只涉及到一个类，如何在该类的基础上进行派生呢？ 个人能力有限，例子中没考虑这个问题。

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