Qt 信號和槽源碼分析

做者：曹羣
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引言：

Qt 是一個1991年由Qt Company開發的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架。它既能夠開發GUI程序，也可用於開發非GUI程序，好比控制檯工具和服務器。Qt是面向對象的框架，使用特殊的代碼生成擴展（稱爲元對象編譯器(Meta Object Compiler, moc)）以及一些宏，Qt很容易擴展，而且容許真正地組件編程。Qt是跨平臺開發框架，支持Windows、Linux、MacOS等不一樣平臺；Qt有大量的開發文檔和豐富的API，給開發者帶來了很大的方便；Qt的使用者也愈來愈多，有不少優秀的產品都基於Qt開發，如：WPS Offic 、Opera瀏覽器、Qt Creator等。Qt的核心機制就是信號和槽，接下來咱們經過源代碼分析一下實現原理。

基本概念：

• 信號：當對象改變其狀態時，信號就由該對象發射 (emit) 出去，並且對象只負責發送信號，它不知道另外一端是誰在接收這個信號。
• 槽：用於接收信號，並且槽只是普通的對象成員函數。一個槽並不知道是否有任何信號與本身相鏈接。
• 信號與槽的鏈接：全部從 QObject 或其子類 ( 例如 QWidget ) 派生的類都可以包含信號和槽。是經過靜態方法：QObject::connect(sender, SIGNAL(signal), receiver, SLOT(slot)); 來進行管理的，其中 sender 與 receiver 是指向對象的指針，SIGNAL() 與 SLOT() 是轉換信號與槽的宏。

實現原理：

• 一、首先咱們搭建好環境，如在Windows系統上：安裝Qt5.7（包括源碼） + VS2013 及 對應的插件，咱們主要是經過VS來進行編譯調試的。
• 二、咱們寫一個簡單實例，而後進行構建，再把Qt安裝目錄中的QtCored的pdb拷貝到咱們的可執行文件目錄下面，以下圖所示：

下面是咱們要分析的Demo代碼：
// MainWindow.h

// MainWindow.cpp

咱們能夠建立一個Qt工程，名稱爲Demo，編寫上面的代碼，進行構建，在VS下能夠把Qt工程導成VS工程，編譯生成，運行結果以下：

點擊中間的按鈕，咱們能夠看到控制檯打印以下信息：

第一步：基本結構：

咱們分析代碼，能夠看到在頭文件Test和MainWindow類中，都有Q_OBJECT這樣的宏，而後咱們能夠看到上面的可執行文件夾下多出來一個moc_MainWindow.cpp文件，那麼咱們能夠嘗試把這兩個宏去掉，再進行構建，發現加上了信號和槽的就沒法編譯過去，咱們去掉這些信號和槽後，就不會生成moc開頭的這個文件了，固然咱們就沒法實現信號和槽機了，那麼這個宏究竟是什麼，有了它編譯器又會作什麼？讓咱們看看這個宏：

原來這個宏就是一些靜態方法和虛方法，可是若是咱們加入到類中，不進行實現，那必定會報錯的，爲何還能夠正常運行呢？原來Qt幫咱們作了不少事情，在編譯器編譯Qt代碼以前，Qt先將Qt自身擴展的語法進行翻譯，這個操做是經過moc（Meta-Object Compiler）又稱「元對象編譯器」完成的。首先moc會分析源代碼，把包含Q_OBJECT的頭文件生成爲一個C++源文件，這個文件的名字會是源文件名前面加上moc_，以後和原文件一塊兒經過編譯器處理，那咱們想到，這個moc開頭的cpp中必定實現了上面宏裏面的方法，以及數據的賦值；接下來咱們看看moc_MainWindow.cpp這個文件：

咱們從上面的代碼中能夠看到，是對Q_OBJECT中的靜態數據進行了賦值，而且實現了那些方法，這些都是Qt的moc編譯器幫咱們生成的，對代碼進行了分析，對信號和槽生成了符號，以及特定的數據結構，下面這個主要是記錄了類、信號、槽的引用計數、大小、偏移，後面會用到。

經過把QT_MOC_LITERAL這個宏進行替換後，獲得以下數據 :

接下來咱們看看下面qt_meta_data_MainWindow這個數組結構：content有兩列，第一列是總數，第二列是在這個數組中描述開始的索引，如1, 14, // methods，說明有一個methods，咱們能夠看到slots就是從索引14開始的。

從最上面的源代碼中咱們能夠看到再關聯信號和槽的時候，用到了SIGNAL和SLOT這兩個宏，那麼這兩個宏到底有什麼做用呢？咱們分析一下：

分析：

從上面咱們能夠看到其實這兩個就是一個字符串拼接的宏，會在信號(signal)前面拼接"2"，如」2clean()「；會在槽(slots)前面拼接"1"，如」1onClean()「; 其中，qFlagLocation這個方法主要是把method存儲在QThreadData裏面FlaggedDebugSignatures中的const char* locations[Count];表中，用於定位代碼對應的行信息。

預編譯後以下：

經過上面的一些基本宏、數據結構的介紹，咱們知道Qt給咱們作了不少工做，幫咱們生成了moc代碼，給咱們提供了一些宏，讓咱們開發簡潔方便，那麼Qt又是如何把信號和槽進行關聯的呢，就是兩個不一樣的實例，又是如何進行經過信號槽機制進行通訊的呢？接下來咱們看看信號和槽關聯的實現原理：

第二步、信號和槽的關聯：

• 一、檢先對信號和槽的字符串進行檢查，QSIGNAL_CODE 是 1 ；SIGNAL_CODE 是 2。

• 二、獲取元數據（sender和receiver同理）。

這個方法就是咱們上面moc_MainWindow.cpp中。

咱們根據調試能夠看到QObject::d_ptr->metaObject是空的，因此這樣smeta就是上面這個staticMetaObject變量了。

// 首先咱們得了解一下這個QMetaObject 和 QMetaObjectPrivate 的定義：

在Qt中爲了實現二進制兼容性，通常會定義一個私有類，QMetaObjectPrivate就是QMetaObject的私有類，QMetaObject負責一些接口實現，QMetaObjectPrivate具體進行實現，這兩個類通常是經過P指針和D指針進行組合式的訪問，有一個宏：

咱們看上面的staticMetaObject是一個QMetaObject類型的變量，其中QMetaObject進行了賦值：

• 1）&QWidget::staticMetaObject（父對象的MetaObject）-> superdata
• 2）qt_meta_stringdata_Test.data -> stringdata
• 3）qt_meta_stringdata_Test() -> data
• 4）qt_static_metacall（回調函數）->static_metacall

其中QMetaObject 是對外的結構，裏面的connect方法最終調用的仍是QMetaObjectPrivate裏面的connect進行實現的。QMetaObject裏的d成員填充了上面的staticMetaObject數據，而QMetaObjectPrivate裏面的成員填充qt_meta_stringdata_Test數組中的數據，咱們能夠看到填充前14個數據，這也是moc生成methodData時以14爲基數的緣由了，轉換方法以下：

• 三、對信號參數、名稱進行獲取和保存，以下，把信號的參數保存起來，返回方法名稱。

• 四、計算索引（包括基類）。

具體實現以下：

其中int handle = priv(m->d.data)->methodData + 5i; 咱們能夠分析，其實就是14+5i ，那爲何是5呢？由於：
// signals: name, argc, parameters, tag, flags
1, 0, 24, 2, 0x06 / Public /,
// slots: name, argc, parameters, tag, flags
3, 0, 25, 2, 0x08 / Private /,
咱們能夠看到每個signals或者slots都有5個整形表示。

• 五、對掩碼進行檢查。

// MethodFlags是一個枚舉類型，咱們能夠看到MethodSignal = 0x04， MethodSlot = 0x08；

// slots: name, argc, parameters, tag, flags
3, 0, 25, 2, 0x08 / Private /,

• 六、判斷連接類型，默認是Qt::AutoConnection。

enum ConnectionType {

  AutoConnection,

  DirectConnection,

  QueuedConnection,

  BlockingQueuedConnection,

  UniqueConnection =  0x80

};

咱們介紹一些鏈接類型：

• 一、AutoConnection：自動鏈接：默認的方式，信號發出的線程和糟的對象在一個線程的時候至關於：DirectConnection， 若是是在不一樣線程，則至關於QueuedConnection。
• 二、DirectConnection：直接鏈接：至關於直接調用槽函數，可是當信號發出的線程和槽的對象再也不一個線程的時候，則槽函數是在發出的信號中執行的。
• 三、QueuedConnection ：隊列鏈接：內部經過postEvent實現的。不是實時調用的，槽函數永遠在槽函數對象所在的線程中執行。若是信號參數是引用類型，則會另外複製一份的。線程安全的。
• 四、BlockingQueuedConnection：阻塞鏈接：此鏈接方式只能用於信號發出的線程 和 槽函數的對象再也不一個線程中才能用，經過信號量+postEvent實現的，不是實時調用的，槽函數永遠在槽 函數對象所在的線程中執行，可是發出信號後，當前線程會阻塞，等待槽函數執行完畢後才繼續執行。
• 五、UniqueConnection ：防止重複鏈接。若是當前信號和槽已經鏈接過了，就再也不鏈接了。

最後到了信號和槽關聯核心的地方了：

首先，咱們先得了解如下數據結構：

上面的這三個數據結構很重要，QObject是咱們最熟悉的基類，QObjectPrivate是它的私有類，進行具體實現，QObjectPrivate繼承自QObjectData，在QObject裏面以組合的形式也進行P指針和D指針的方式進行訪問的。在信號和槽關聯過程當中，數據結構Connection是很重要的數據結構，下面的這個結構是ConnectionList的一個Vector：

有了上面的數據結構，咱們就能夠分析下面的連接過程了， 咱們看到下面的先是調用的QMetaObjectPrivate的connect， 以後又用QMetaObject::Connection進行了指針包裝：

QObjectPrivate::get(s) 方法其實就是獲取了一個QObjec裏面的QObjectPrivate實例，以後調用addConnection方法添加到鏈表中：

結構以下：

分析：

• 一、每一個QObject對象都有一個QObjectConnectionListVector結構，這是一個Vector容器，它裏面的基本單元都是ConnectionList類型的數據，ConnectionList的個數與該QObject對象的signal個數相同。每一個ConnectionList對應一個信號，它記錄了鏈接到這個信號上的全部鏈接。前面已經看到ConnectionList的定義中有兩個重要成員：first和last，他們都是Connection 類型的指針，分別指向鏈接到這個信號上的第一個和最後一個鏈接。全部鏈接到這個信號上的鏈接以單向鏈表的方式組織了起來，Connection結構體中的nextConnectionList成員就是用來指向這個鏈表中的下一個鏈接的。
• 二、同時，每一個QObject對象還有一個senders成員，senders是一個Connection類型的指針，senders自己也是一個鏈表的頭結點，這個鏈表中的全部結點都是鏈接到這個QObject對象上的某個槽的鏈接。不過這個鏈表跟上一段提到的鏈表可不是同一個，雖然他們可能有一些共同結點。
• 三、每個Connection對象都同時處於兩個鏈表當中。其中一個是以Connection的nextConnectionList成員組織起來的單向鏈表，這個單項鍊表中每一個結點的共同點是，他們都依賴於同一個QObject對象的同一個信號，這個鏈表的頭結點就是這個信號對應的ConnectionList結構中的first；另外一個鏈表是以Connection的next和prev成員組織起來的雙向鏈表，這個雙向鏈表中每一個結點的共同點是，他們的槽都在同一個QObject對象上，這個鏈表的頭結點就是這個Qobject對象的sender。這兩個鏈表會有交叉（共同結點），但他們有不一樣的連接指針，因此不是同一個鏈表。
• 四、在Connect的時候，就是先new一個Connection對象出來，設置好這個鏈接的信息後，將它分別添加到上面提到的兩個鏈表中；disconnect的時候，就從從這兩個鏈表中將它移除，而後delete掉。而當一個QObject對象被銷燬的時候，它的sender指針指向的那個雙向鏈表中的全部鏈接都會被逐個移除！

第三步、發送信號到接受信號：

• 一、咱們點擊上面的button後，而後調用到onDestory槽裏面， 這是咱們寫的信號觸發的地方：

• 二、接下來就進入了moc_MainWindow.cpp裏面的代碼，調用了QMetaObject的靜態方法activate：

// 而後進入真正的QMetaObject::activate

咱們的例子是Autoconntion模式，因此就會執行下面的代碼進行回調：

咱們終於看到了，函數進行了回調到moc_MainWindow.cpp裏面，而後調用對應的槽onClean ；

最終調用到這裏後，打印輸出："MainWindow::onClean"

最後就是調用完後，會回到onDestory這裏：

注意：若是咱們在onClean中進行了對m_testWidget對象的釋放操做（delete m_testWidget），再到onDestory()中 emit clean(); 後面進行訪問成員，那麼必定崩潰，因此要注意。

參考文獻：

一、https://woboq.com/blog/how-qt...

二、Qt5.7源碼

三、本身用C++實現的信號和槽demo：http://note.youdao.com/notesh...