Qt-信号与槽机制

1. 概述

Qt 的信号与槽机制是 GUI 编程中的重要工具，用于实现对象间的通信。它允许在事件发生时，信号发射者与槽接收者建立动态连接，从而实现松耦合的设计。该机制依赖于 Qt 的元对象系统和 Meta-Object Compiler (MOC) 生成的元对象代码。

2. 元对象系统 (Meta-Object System)

2.1 概述

元对象系统是 Qt 实现信号与槽机制的基础。通过扩展 C++ 编译器，元对象系统支持运行时类型信息 (RTTI)、属性系统、动态信号与槽等功能。Q_OBJECT 宏使得类能利用这些功能，并允许 MOC 生成相应的元信息，包括信号、槽和属性。

2.2 MOC 工作原理

MOC 的任务是在编译时扫描含有 Q_OBJECT 宏的类，生成包含信号、槽、属性等元信息的代码文件。它帮助每个包含 Q_OBJECT 宏的类创建其自己的元对象表。这些表包含类的信号、槽及其他元信息，但MOC 并不负责信号与槽的连接和调度。MOC 的任务是在编译时扫描含有 Q_OBJECT 宏的类，生成包含信号、槽、属性等元信息的代码文件。它帮助每个包含 Q_OBJECT 宏的类创建其自己的元对象表。这些表包含类的信号、槽及其他元信息，但MOC 并不负责信号与槽的连接和调度。

3. 信号与槽机制的运行流程

3.1 信号与槽的定义

在 Qt 中，信号与槽通过声明和定义相互关联的函数来实现。信号用于发射事件，而槽用于响应信号并处理事件。信号本质上是没有实现体的占位符函数，由 MOC 为其生成元信息。

3.2 信号与槽的连接

在运行时，Qt 的元对象系统（由 QMetaObject 和 QObject 提供）才真正负责信号与槽的连接、断开和激活。每个对象的信号与槽是通过QObject::connect()来建立连接的，这些连接被存储在对象的连接表中。

3.3 信号的发射与槽的执行

当信号被发射时，Qt 内部触发一个事件，查找与该信号关联的槽函数，然后依次调用这些槽。信号发射通常通过使用 emit 关键字完成。信号发射时，QMetaObject::activate() 会被调用，遍历连接表，激活相应的槽函数。

#define Q_OBJECT \
public: \
    QT_WARNING_PUSH \
    Q_OBJECT_NO_OVERRIDE_WARNING \
    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 \
private: \
    Q_OBJECT_NO_ATTRIBUTES_WARNING \
    Q_DECL_HIDDEN_STATIC_METACALL static void qt_static_metacall(QObject *, QMetaObject::Call, int, void **); \
    QT_WARNING_POP \
    struct QPrivateSignal { explicit QPrivateSignal() = default; }; \
    QT_ANNOTATE_CLASS(qt_qobject, "")

QMetaObject 是 Qt 框架中的一个类，它用于存储与某个类相关的所有元数据信息。

4. 事件循环与事件分发

4.1 事件循环 (QEventLoop)

Qt 的事件循环是应用程序的核心部分。事件循环负责监视系统事件（如用户输入、定时器等）和应用程序的信号。当信号被发射时，事件循环将信号封装为事件，并负责调度这些事件以执行相应的槽函数。

4.2 信号发射与事件队列

当信号发射时，如果使用队列连接或跨线程连接，信号会被封装为事件并加入事件队列。事件循环会在适当的时机提取这些事件并执行相应的槽函数，以确保程序的响应性和稳定性。

5. 线程间的信号与槽机制

5.1 跨线程连接

Qt 提供了线程安全的信号与槽机制。当信号与槽位于不同线程时，信号会被封装成事件并传递到目标线程的事件队列中。通过这种方式，Qt 可以安全地在不同线程间传递信号和处理槽函数，而无需显式的线程同步操作。

5.2 事件队列的线程安全

Qt 的事件队列使用加锁机制来确保线程间通信的安全性。通过这种机制，信号事件可以安全地插入到目标线程的事件队列中，并且不会直接在非线程安全的环境中调用槽函数，从而避免了数据竞争和同步问题。

6. 底层实现细节与源码解析

6.1 信号与槽的连接

当 connect() 函数被调用时，Qt 会执行以下步骤完成信号与槽的连接：

1. 检查信号和槽的类型是否匹配。
2. 查找信号和槽的元数据信息，如信号 ID 和槽函数地址。
3. 将信号和槽之间的连接信息存储在连接表中。

6.2 信号的发射与激活

当信号被发射时，Qt 调用 QMetaObject::activate() 函数，该函数负责查找连接表中的槽函数并依次调用。对于跨线程信号，激活函数会将信号封装为事件并插入接收者线程的事件队列中。