Qt信号槽与事件循环学习笔记

事件与事件循环

在Qt中,事件event)被封装为QEvent类/子类对象,用来表示应用内部或外部发生的各种事情。事件可以被任何QObject子类的对象接收并处理。

根据事件的创建方式和调度方式,Qt中事件可分为三类,分别是:

  • 自发事件(Spontaneous event)由窗口系统(window system)创建,随后加入事件队列,等待主事件循环处理(首先转换为QEvents实例,再分发给对应的QObjects实例)。
  • 推送事件(Posted event)由Qt程序创建,并加入Qt的事件队列,等待事件循环分发。
  • 发送事件(Sent event)由Qt程序创建,直接传递给目标对象。

Qt中的事件循环event loop)是通过一个队列来循环处理事件的机制。当队列中有事件时,事件循环会处理事件;如果队列中没有事件,则事件循环会阻塞等待。

在Qt程序中,每个线程都可以有自己的事件循环(每个线程只能拥有一个活动的事件循环,并对应一个事件队列),事件循环在调用.exec()时进行启动。主线程/GUI线程对应的事件循环,被称为主事件循环(main event loop)。一般来说,在main()函数的末尾会调用QApplication::exec()函数,从而启动并进入Qt的主事件循环(更准确地说,Qt的主事件循环在主线程中调用QCoreApplication::exec()时启动),直到exit()函数被调用。

从概念上来说,事件循环可以理解为一些while循环:

while (!exit_was_called) {
        while (!posted_event_queue_is_empty) {
            process_next_posted_event();
        }
        while (!spontaneous_event_queue_is_empty) {
            process_next_spontaneous_event();
        }
        while (!posted_event_queue_is_empty) {
            process_next_posted_event();
        }
    }

首先,事件循环处理Posted事件,直到队列为空。然后,处理Spontaneous事件(首先转换为QEvents对象,然后发送给QObjects实例)。最后,处理在Spontaneous事件处理过程中生成的Posted事件。事件循环不会对Sent事件进行处理,Sent事件会直接传递给目标对象。

事件循环首先会将事件传递给对象树顶部的QObject实例,然后从根节点开始逐级向下传递事件,直到找到能够处理该事件的接收者对象。这个过程被称为事件传递(Event Propagation)。事件的处理通过调用QObject实例的event()函数来完成的。

在使用事件循环机制时,exec()用于开启事件循环,exit()或quit()用于退出事件循环,值得注意的是,的quit()或exit()函数并不会立即退出事件循环,而是等待控制权返回事件循环后,才会真正退出事件循环,并返回exec()调用处,这里有点费解,之后会通过一个例子说明。

更多关于Qt中事件系统的细节,除了参考Qt源码和官方文档The Event SystemQEvent Class,还推荐其他两篇文章Another Look at EventsQt源码阅读-事件循环

这里出现一个问题:次线程中创建的事件循环是否会处理Spontaneous事件?以下是GPT的回答,正确性未验证仅供参考,欢迎各位大佬指点。

GPT:在其他线程中创建的事件循环通常不会处理自发事件,除非明确地要求。如果需要在其他线程中处理自发事件,您需要自行创建和管理事件循环,并显式地设置相应的机制来触发事件的处理。也就是说,如果直接调用QThread::exec()函数开启事件循环,是不会处理Spontaneous事件的。

信号槽机制

信号槽signal-slot)和事件处理是两种不同的机制,都可以用于实现程序中不同对象之间的同步或异步通信。它们可以在Qt应用程序中一起使用,但它们在实现方式和应用范围上有一些区别。

信号槽机制:

  • 信号槽机制是Qt框架的独有特性,用于实现对象之间的松散耦合通信。
  • 发送信号并不需要一个特定的接收对象,信号可以被多个槽函数接收,类似于"广播"。
  • 信号槽机制允许对象在特定事件或状态变化时发射信号,通知其他对象执行相关操作。

事件和事件处理:

  • 事件和事件处理是一种通用的事件驱动编程范式,广泛应用于多种编程环境和框架,不仅限于Qt。
  • 事件发送和处理需要明确指定一个接收者对象,每个事件必须有一个确定的接收者,类似于"单播"。
  • 事件处理通常是通过重写对象的事件处理函数来实现,响应不同类型的事件,如用户输入事件、系统事件等。

Qt中信号槽的使用非常简单,使用connect将两个对象(必须是QObject的子类)的信号和槽连接起来即可。值得注意的是,connect函数的第5个参数为枚举类型Qt::ConnectionType,用于指定连接类型。以下是枚举类型Qt::ConnectionType的值:

  1. Qt::AutoConnection(默认值):Qt会根据信号和槽的所在线程来自动选择连接类型。如果信号和槽在同一线程,将采用 Qt::DirectConnection,否则采用 Qt::QueuedConnection。

  2. Qt::DirectConnection:信号被发射时,槽会直接在信号发射的线程上调用,不涉及事件队列。这通常在同一线程内的连接中使用,且是同步的。

  3. Qt::QueuedConnection:信号被发射时,槽会被放入接收者对象的事件队列中,等待事件循环处理。这用于在不同线程之间建立连接,因此是异步的。这里说明,信号槽机制的队列连接实现依赖事件循环机制。

  4. Qt::BlockingQueuedConnection:类似于 Qt::QueuedConnection,但不返回到信号发射者,阻塞直到槽函数完成执行。

  5. Qt::UniqueConnection:如果已经存在一个具有相同参数的连接,将不会建立新连接,而是返回一个无效的连接。

通常,直接使用默认值Qt::AutoConnection,即可满足大多数情况的需求,因为它会根据上下文自动选择合适的连接类型。特殊情况下,也可以手动指定连接类型,比如,指定同一个线程中的两个对象间为队列连接,或指定不同两个线程中的两个对象为直接连接。

下面用一个例子,详细解释以上所有特性。

#include <QDebug>
#include <QCoreApplication>
#include <QTimer>
#include <QThread>


class Foo : public QObject {
Q_OBJECT

public:
    Foo(QObject *parent = nullptr) : QObject(parent) {}


private:
    void doStuff() {
        qDebug() << QThread::currentThreadId() << ": Emit signal one";
        emit signal1();

        qDebug() << QThread::currentThreadId() << ": Emit signal finished";
        emit finished();

        qDebug() << QThread::currentThreadId() << ": Emit signal two";
        emit signal2();
    }

signals:

    void signal1();

    void finished();

    void signal2();

public slots:

    void slot1() {
        qDebug() << QThread::currentThreadId() << ": Execute slot one";
    }

    void slot2() {
        qDebug() << QThread::currentThreadId() << ": Execute slot two";
    }

    void start() {
        doStuff();

        qDebug() << QThread::currentThreadId() << ": Bye!";

    }
};

#include "main.moc"

int main(int argc, char **argv) {
    qDebug() << "main thread id:" << QThread::currentThreadId();
    QCoreApplication app(argc, argv);

    Foo foo;
    Foo foo2;
    QThread *foo2thread = new QThread(&app);
    foo2.moveToThread(foo2thread);
    foo2thread->start();

    QObject::connect(&foo, &Foo::signal1, &foo, &Foo::slot1);
    QObject::connect(&foo, &Foo::signal1, &foo2, &Foo::slot1);

    QObject::connect(&foo, &Foo::finished, &app, &QCoreApplication::quit);
    QObject::connect(&foo, &Foo::finished, foo2thread, &QThread::quit);

    QObject::connect(&foo, &Foo::signal2, &foo, &Foo::slot2); // Qt::DirectConnection
    QObject::connect(&foo, &Foo::signal2, &foo2, &Foo::slot2); // Qt::QueuedConnection

    QTimer::singleShot(0, &foo, &Foo::start);
    return app.exec();
}

以下是运行结果:

main thread id: 0x165c
0x165c : Emit signal one
0x165c : Execute slot one
0x165c : Emit signal finished
0x5578 : Execute slot one
0x165c : Emit signal two
0x165c : Execute slot two
0x165c : Bye!

在这段代码中,

第1步:创建了两个Foo的实例foo和foo2,并将foo2移动到另一个线程foo2thread中。

第2步:将foo的两个信号分别连接到foo2两个槽函数。此外,还将foo的finished()信号,连接到app和foo2thread的quit函数上,以便在发出finished信号时,通知主事件循环和foo2thread线程的事件循环退出。

第3步:将单次定时器连接到foo的start() 函数,准备进入主事件循环。

第4步:启动并进入主事件循环。

当exec()函数被调用时,事件循环开始。发生的第一个事件是计时器在0毫秒后发出超时信号。信号timeout()连接到foo对象的start()槽函数。在轮询任何其他事件之前,start()槽函数将被执行完成。这导致了该doStuff()方法发出signal1(). 连接到该信号的槽slot1()将立即被执行。一旦控制返回到doStuff(),它就会发出第二个信号finished()。该信号连接到应用程序app和foo2thread线程的quit函数上,这是否意味着应用程序将立即退出?

答案是否定的。如前所述,QCoreApplication::quit()槽实际上调用QCoreApplication::exit(0),而分析后者的源码可以发现,其只是将事件循环的退出标志设为true。在控制权返回到主事件循环之前,实际的退出不会发生。

因此,在发出信号finished()之后,程序会继续执行doStuff(),发出信号signal2(),这里注意,由于foo的signal2和slot2之间是直接连接,因此在发射signal2的同时,foo的slot2便阻塞执行了,而signal2和foo2的slot2之间是队列连接,线程foo2thread的控制权已经回到了事件循环处,并已经退出事件循环。因此,foo2的slot2不会执行。

随后,返回start()。在start()退出之前,打印"Bye!"。

最后,回到主事件循环。

由于这时主事件循环退出标志设置为true,便会返回主函数中exec的调用处,随之程序结束。

如果手动指定QObject::connect(&foo, &Foo::signal2, &foo, &Foo::slot2)的连接类型为Qt::QueuedConnection,最后得到的结果会有所不同,感兴趣的读者可以自己试一试。

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