Qt信号与槽——原理分析

知其然，知其所以然

今天面试的时候问到了Qt信号槽底层原理的实现，然后发现自己不懂，很尴尬，现在需要过来恶补一下相关的知识，同时也给自己一个教训，以后学习新内容不能只知道怎么用，还要尽可能掌握底层原理的实现。

信号——槽机制复习

我们首先看一下官方文档是如何使用信号与槽的，我们定义一个计数器，其头文件如下：

class Counter : public QObject
{
    Q_OBJECT
    int m_value;
public:
    int value() const { return m_value; }
public slots:
    void setValue(int value);
signals:
    void valueChanged(int newValue);
};

在cpp文件中，我们定义setValue函数如下：

void Counter::setValue(int value)
{
    if (value != m_value) {
        m_value = value;
        emit valueChanged(value);       //发射信号
    }
}

我们可以这样使用我们的计数器：

Counter a, b;
QObject::connect(&a, SIGNAL(valueChanged(int)),
&b, SLOT(setValue(int)));

a.setValue(12);  // a.value() == 12, b.value() == 12

从Qt诞生之初，我们就延续着这样的使用方式，但是其具体实现经历了几次变革，我们来看一下现在的Qt是如何实现信号与槽机制的。

MOC——元对象编译

Qt的信号与槽基于运行期对对象的解析，这个解析的意思是能够在运行期列出对象的方法和属性，同时获得这些方法及属性的全部信息，例如变量的类型等等。C++采用RTTI(Runtime Type Information)来获取运行期信息。而Qt自己提供了一套工具实现内省功能，即MOC，一个代码生成器(不是预处理器)，MOC会解析头文件，生成一个额外的C++文件，在Qt中我们看到的是文件名中包含moc的文件，该文件包含了需要进行运行期内省(introspection)的代码。

内省（Introspection）是面向对象语言和环境的一个强大特性，内省是对象揭示自己作为一个运行时对象的详细信息的一种能力。这些详细信息包括对象在继承树上的位置，对象是否遵循特定的协议，以及是否可以响应特定的消息

一些宏定义

我们在使用Qt的过程中，经常会用到一些非C++本身的关键字，例如 signals, slots, Q_OBJECT, emit, SIGNAL, SLOT，这些是Qt对C++的一个扩展，实际上是一些简单的宏定义，在qobjectdefs.h文件中给出

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#define signals public
#define slots /* nothing */
#define emit /* nothing */

我们可以看到，实际上public和slots根本什么也没有给出，更多的是对开发人员的一种提示，同理还有emit，即使你不写emit，直接写信号函数，也会触发相应的connect，说明信号本身就是一种函数。然后是著名的Q_Object宏，定义如下：

#define Q_OBJECT \
public: \
    static const QMetaObject staticMetaObject; \
    virtual const QMetaObject *metaObject() const; \
    virtual void *qt_metacast(const char *); \
    virtual int qt_metacall(QMetaObject::Call, int, void **); \
    QT_TR_FUNCTIONS /* translations helper */ \
private: \
    Q_DECL_HIDDEN static void qt_static_metacall(QObject *, QMetaObject::Call, int, void **);

我们可以看到，该宏定义了一系列的function和一个静态的QMetaObject，这些函数在哪里实现呢？就在我们的MOC文件中。

对于SLOT和SIGNAL，其定义如下：

Q_CORE_EXPORT const char *qFlagLocation(const char *method);
#ifndef QT_NO_DEBUG
# define QLOCATION "\0" __FILE__ ":" QTOSTRING(__LINE__)
# define SLOT(a)     qFlagLocation("1"#a QLOCATION)
# define SIGNAL(a)   qFlagLocation("2"#a QLOCATION)
#else
# define SLOT(a)     "1"#a
# define SIGNAL(a)   "2"#a
#endif

这两个宏定义就是简单地把函数名转换为字符串，然后添加到代码中。

MOC生成了哪些代码

接下来我们分析MOC具体生成的代码有什么作用。

The QMetaObject

//static const QMetaObject staticMetaObject; 
   
const QMetaObject Counter::staticMetaObject = {
    { &QObject::staticMetaObject, qt_meta_stringdata_Counter.data,
      qt_meta_data_Counter,  qt_static_metacall, Q_NULLPTR, Q_NULLPTR}
};

//virtual const QMetaObject *metaObject() const; 
const QMetaObject *Counter::metaObject() const
{
    return QObject::d_ptr->metaObject ? QObject::d_ptr->dynamicMetaObject() : &staticMetaObject;  //QObject::d_ptr->metaObject 被用于动态元对象，如果是静态的，直接返回staticMetaObject
}

定义在qobjectdefs.h的元对象如下：

struct QMetaObject
{
    /* ... Skiped all the public functions ... */

    enum Call { InvokeMetaMethod, ReadProperty, WriteProperty, /*...*/ };

    struct { // private data
        const QMetaObject *superdata;
        const QByteArrayData *stringdata;
        const uint *data;
        typedef void (*StaticMetacallFunction)(QObject *, QMetaObject::Call, int, void **);
        StaticMetacallFunction static_metacall;
        const QMetaObject **relatedMetaObjects;
        void *extradata; //reserved for future use
    } d;
};

此处的间接d表示这些对象应当为私有的，但实际并不是私有的，是为了能够静态初始化以及让其作为POD类

POD类类型就是指class、struct、union，且不具有用户定义的构造函数、析构函数、拷贝算子、赋值算子；不具有继承关系，因此没有基类；不具有虚函数，所以就没有虚表；非静态数据成员没有私有或保护属性的、没有引用类型的、没有非POD类类型的（即嵌套类都必须是POD）、没有指针到成员类型的（因为这个类型内含了this指针）。

QMetaObject *superdata和父类的元对象一起初始化（此处为QObject::staticMetaObject，因为Counter继承自QObject），stringdata and data稍后解释。

Introspection Tables——内省表

我们首先分析一下元对象集成的数据

static const uint qt_meta_data_Counter[] = {

 // content:
       7,       // revision
       0,       // classname
       0,    0, // classinfo
       2,   14, // methods
       0,    0, // properties
       0,    0, // enums/sets
       0,    0, // constructors
       0,       // flags
       1,       // signalCount

 // signals: name, argc, parameters, tag, flags
       1,    1,   24,    2, 0x06 /* Public */,

 // slots: name, argc, parameters, tag, flags
       4,    1,   27,    2, 0x0a /* Public */,

 // signals: parameters
    QMetaType::Void, QMetaType::Int,    3,

 // slots: parameters
    QMetaType::Void, QMetaType::Int,    5,

       0        // eod
};

前13个整数如果包含两列，第一列为计数，第二列表示方法描述在该array中的index，在本例中，我们有2个方法，同时方法的描述从14位开始。方法的描述由5个整数组成，具体如下：

name：一个string table中的索引
argc：参数个数
parameters：参数位置索引
tag和flags暂略

对于每个函数，moc还会保存每个parameter的返回类型，以及他们对于name的类型和索引位置。

参考文献

1.信号与槽底层内容讲解 ↩