QT5.14.2 探秘Qt信号槽奥秘--让对象间通信如虎添翼

一、前言

在当今这个万物互联的时代，对象间通信无疑是编程领域中最为基础也最为重要的问题。作为知名的跨平台开发框架，Qt自然也需要解决这一问题。于是，Qt巧妙地提出了信号与槽(Signals & Slots)这一机制，以观察者模式的思路让对象间通信变得行云流水。那么，Qt信号与槽的本质是什么?它是如何在底层实现的?又有哪些实战应用技巧?本文将为您一一道来。

二、Qt信号槽本质剖析

1、Qt信号槽的核心思想

信号(Signal)作为对象状态或行为变化的通知;
槽(Slot)作为相应该通知的处理函数;
通过Connect将信号与槽关联，使通知能精准触达指定槽函数。

从语法上看，Qt通过自创的signals、slots和emit等关键字模拟了信号与槽:

signals: // 声明信号
    void valueChanged(int newValue);
    
public slots: //声明槽函数
    void valueChangedHandler(int value); 
    
//发射信号 
emit valueChanged(25);

2、信号和槽的语法规则

信号必须用signals关键字声明在类定义中
信号没有函数体实现
槽可以是普通的成员函数，或用slots关键字声明
只有继承自QObject的类才能定义信号和槽
只有在QObject子类实例化后才能使用信号和槽机制

3、信号与槽之间的关系

通过这些规则和关系，Qt构建了一个高度灵活可扩展的信号与槽通信机制。

三、信号槽原理揭秘

那么信号和槽在底层又是如何实现的呢?原理如下:

Qt的moc(Meta-Object Compiler元对象编译器)会扫描通过Q_OBJECT宏声明的类，为其生成元对象数据(elements/meta-object.cpp等)
该元数据包含了信号与槽的名称、参数等完整信息
对象在运行时，根据这些元数据查找并调用目标槽函数
通过QObject::connect()函数将信号与槽关联起来:

QObject::connect(sender， signal， receiver， slot)

其中:

sender是发送信号的对象
signal是发送的信号，使用&Sender_Class::signal语法指定
receiver是接收信号的对象
slot是要调用的槽函数，使用&Receiver_Class::slot语法指定

Connect()函数一共有多种重载形式，支持使用函数指针或者字符串的方式指定信号和槽。

让我们看一个实例:

// 定义发送者和接收者对象
QPushButton *button = new QPushButton;
QDialog *dialog = new QDialog;
    
// 使用函数指针方式连接信号与槽
QObject::connect(button， &QPushButton::clicked，
                 dialog， &QDialog::accept);
                  
// 使用字符串方式连接信号与槽
QObject::connect(button， SIGNAL(clicked())，
                 dialog， SLOT(accept()));

上例中，当按钮被点击时，就会发射clicked()信号，进而触发QDialog的accept()槽函数被调用。

需要注意的是，使用函数指针的方式更加安全，支持参数隐式转换以及自定义类型，而字符串方式则需要确保参数名称和顺序完全一致。

由此可见，QObject::connect()是将发送者对象的信号绑定到接收者对象的槽函数上，从而建立两者间的通信通道。这正是Qt信号与槽大显身手的核心所在。

因此，Qt信号槽的本质就是一种基于元数据的动态绑定机制。相比函数指针，它更加智能且自动化。这种设计使得Qt极大提升了多态、可扩展性等面向对象特性，成为当代C++大作的有力支撑。

四、代码实战:订单监控器

理论说了那么多，我们还是通过一个实战案例来印证一下信号槽的魔力。

比如我们需要开发一款订单状态监控器:当订单状态发生变化时，自动记录日志、发送通知等。

这种监听机制，正好可以利用信号槽来实现:

//订单类
class Order : public QObject
{
    Q_OBJECT
    
public:
    enum Status {Open， Resolved， Closed};
    
    Order(QObject *parent = nullptr)
        : QObject(parent)， m_status(Open)
    {}

    void setStatus(Status status)
    {
        if (status != m_status) {
            m_status = status;
            emit statusChanged(status); //发射信号
        }
    }

signals:
    void statusChanged(Order::Status newStatus);

private:
    Status m_status;
};

//监控器类
class Monitor : public QObject
{
    Q_OBJECT

public:
    Monitor(QObject *parent = nullptr)
        : QObject(parent)
    {
        Order *order = new Order(this);
        connect(order， &Order::statusChanged， //连接信号与槽
                this， &Monitor::logStatus);
        
        order->setStatus(Order::Resolved); //状态变化，触发信号
        order->setStatus(Order::Closed); 
    }

private slots:
    void logStatus(Order::Status status)
    {
        static const char *statusStr[] = {
            "Order Open"，
            "Order Resolved"，
            "Order Closed"
        };
        std::cout << statusStr[status] << std::endl;
    }
};

在上面的示例中，我们首先定义了Order类表示订单，它有一个statusChanged信号，在订单状态变化时会发射该信号。

然后定义了Monitor类作为监控器，在构造函数中:

创建Order对象
使用connect()函数连接Order对象的statusChanged信号与Monitor的logStatus槽函数
改变Order状态，触发信号发射，从而调用logStatus输出日志

其中，关键的连接代码是:

connect(order， &Order::statusChanged， this， &Monitor::logStatus);

这一语句就将order对象的statusChanged信号与this(Monitor实例)的logStatus槽绑定到了一起。

这样，只要订单状态改变，statusChanged信号就会被触发，Monitor的logStatus槽函数就会被自动调用，输出相应的日志，而不需要手动去调用。整个过程是自动完成的。

通过这个例子，我们可以看到Qt信号槽机制让对象间的监听与通信变得非常简单直观，大大增强了代码的可维护性和扩展性。

五、实战技巧剖析

通过上面的例子，我们可以总结出Qt信号槽的以下实战技巧:

Qt分离了事件主体和监听器的耦合，增强了可维护性
信号槽允许参数传递，方便数据共享
一个信号可连接多个槽，一个槽也可被多个信号调用，扩展性强
信号可自动执行，不需要手动调用，代码更加简洁
使用lambda表达式连接信号槽，代码更紧凑
信号可过滤，根据条件选择是否执行槽
Qt内置许多常用信号，方便快速集成

六、未来展望

本文从本质到实现，为您讲解了Qt信号槽的方方面面。相信通过这个机制，您对面向对象编程的理解会有进一步的提升。作为Qt框架的核心机制，信号与槽不仅让对象间通信变得行云流水，更是彰显了C++语言强大的可扩展性。通过Qt信号槽，我们可以写出更优雅、更易维护的面向对象代码。信号就是力量，与槽实现无限可能，期待您的大显身手!