Qt底层原理：深入解析QWidget的绘制技术细节(2)

（本文续上一篇《Qt底层原理：深入解析QWidget的绘制技术细节(1)》）

QWidget绘制体系为什么这么设计【重点】

在传统的C++图形界面框架中，例如DUILib等，控件的绘制逻辑往往直接在控件的类的内部，例如PushButton的draw/paint的函数内部，Qt的QWidget费了老大劲，定义了一堆枚举和基类，把大部分的绘制逻辑都抽离了具体的类，转到了QStyle上。这种做法说实话，是有弊有利的。

下面是对利弊的详细讨论：

有利之处：

1. 提高绘制逻辑的复用性：

   • 在Qt中，绘制逻辑不是硬编码在每个控件中的，而是通过QStyle这个中心化的类来处理的。这意味着，像在QListView中绘制按钮这样的任务，不需要创建QPushButton实例，而是通过QStyle来绘制具有按钮视觉效果的元素。这样，任何需要具有按钮风格的控件都可以复用这一段绘制代码，大大提高了代码的复用性。

2. 提高绘制逻辑的风格化能力：

   • 由于QStyle负责所有控件的绘制细节，这使得统一应用程序的风格变得容易。开发者可以通过改变QStyle或者使用QStyleSheets来快速地修改应用程序的风格，而无需修改每个控件。这种能力使得开发者能够更快地响应设计的改变，并且为用户提供一致的视觉体验。

3. 实现绘制逻辑和具体的控件类的解耦：

   • 在传统的GUI框架中，绘制代码通常与控件逻辑紧密耦合。Qt通过将绘制逻辑抽象到QStyle中，实现了绘制逻辑与控件类的分离。这样的解耦使得开发者可以在不改变控件逻辑的情况下，通过修改QStyle或QStyleSheets来定制控件的外观。这也为实现像QSS这样的高级样式特性奠定了基础。

弊处：

1. 增加了绘制逻辑的复杂度：

   • Qt的这种抽象方式确实增加了学习和实现自定义绘制逻辑的复杂度。新加入的Qt开发者需要理解QStyle的工作原理以及如何与QStyleOption等类配合使用，这对于初学者而言可能是一个挑战。

2. 给绘制体系新增控件增加了难度：

   • 在Qt中，控件的绘制细节往往被封装成枚举类型，这些枚举在整个QStyle体系中都有明确的定义。当需要增加新的控件或者扩展控件的功能时，可能需要在QStyle中添加新的枚举值，并要求所有的QStyle实现都支持这个新的枚举。这不仅增加了开发的难度，也可能导致现有的风格类需要进行大量的更新来适应新的枚举。

总结来说，Qt选择这种设计，核心是2个考虑，第一个是性能 ，就如前面提到的，当我们需要绘制一个按钮的时候是不需要实例化按钮类的，这给QListView的性能天花板打到比其他任何图形界面框架都要高。另一个方面是实现非常接近原生的界面风格元素，这也是Qt界面框架和其他界面框架独特之处。Qt界面默认情况下是可以达到以假乱真的原生效果，要实现如此高度的还原，还要保障绘制的性能，那么把所有绘制逻辑针对不同平台提供高度的定制化是必然的做法，因此QStyle这套体系就形成了。

绘制双缓冲细节

在Qt中，为了在绘制时不在屏幕出现绘制过程导致画面闪烁，会采用双缓冲机制。与此相关的一些类和组件包括：

1. QPixmap :
   QPixmap是一个用于处理图像的类，通常用于离屏绘制（off-screen drawing）。它可以作为双缓冲的后台缓冲区使用，在这个缓冲区上进行绘制操作，然后将其内容一次性绘制到屏幕上。

2. QWidget :
   QWidget类有一个属性，决定是否使用双缓冲。默认情决定了Qt是否为QWidget启用双缓冲。大多数情况下，Qt会自动为所有的QWidget及其子类使用双缓冲策略，但是开发者可以通过setAttribute(Qt::WA_PaintOnScreen)来修改这个行为。

3. QBackingStore :
   QBackingStore是Qt中负责管理窗口内容的后台存储的类。它是Qt双缓冲机制的核心组件之一，在窗口系统层面处理缓冲区。当窗口或部件的内容需要更新时，QBackingStore负责将缓冲区的内容复制到屏幕上。

4. QPaintEngine :
   QPaintEngine是一个抽象基类，它定义了Qt绘图操作的底层接口。具体的实现类，如QRasterPaintEngine，会使用双缓冲技术来提高绘制效果和性能。

5. QWindow :

   在Qt中，QWindow代表了一个系统窗口。它可以使用QBackingStore来管理其内容的双缓冲，尤其是在Qt Quick中，QWindow是与平台窗口系统交互的主要接口。

6. QScreen :
   QScreen类代表了应用程序可以使用的显示器。虽然它不直接参与双缓冲，但是它提供了与屏幕相关的功能，包括分辨率、颜色深度等信息，这些信息可能会影响双缓冲策略的选择和优化。

在Qt的绘制过程中，当你在QWidget的paintEvent()方法中使用QPainter进行绘图时，你实际上是在绘制到一个离屏缓冲区。然后，该缓冲区的内容会被复制到屏幕上。这个过程对于开发者来说是透明的，因为Qt框架在底层处理了所有的细节。

如果需要控制双缓冲的行为，或者需要更深入地理解其实现，可以查看以上提到的类的文档和源代码。

需要注意的是，Qt Quick（基于QML的高级UI框架）与传统的QWidget系统在渲染上有所不同。Qt Quick使用场景图（scene graph）和通常基于OpenGL的渲染器进行绘制，而不是使用传统的QWidget绘制流程。尽管如此，QWindow和QBackingStore仍然在Qt Quick的窗口管理和屏幕渲染中发挥作用。

如何提高应用程序的绘制性能

提高绘制性能通常涉及减少不必要的绘制工作和优化绘制路径。以下是一些策略来提高Qt控件的绘制性能：

1. 避免半透明和透明度：

   • 避免半透明的控件，因为它需要额外的合成步骤。
   • 使用不透明的控件，设置属性Qt::WA_OpaquePaintEvent。

2. 减少重绘区域：

   • 只重绘变化的部分，而不是整个控件。
   • 使用QWidget::update(const QRect&)来指定只重绘控件的一个子区域。
   • 避免不必要的update()调用。

3. 优化绘制代码：

   • 在paintEvent中避免复杂计算。
   • 使用简单的几何图形和操作，避免绘制复杂的图形。
   • 避免在paintEvent中创建临时对象。

4. 延迟更新：

   • 使用QWidget::update()而不是QWidget::repaint()，因为update()会合并多个重绘请求，延迟到下一个事件循环中。

5. 使用双缓冲：

   • Qt默认使用双缓冲来避免闪烁，确保此功能未被禁用。

6. 缓存绘制结果：

   • 对于不经常变化的内容，可以将其缓存到QPixmap或QImage中，然后在paintEvent中直接绘制这些缓存。

7. 减少布局调整：

   • 避免频繁的布局改变，特别是包含大量控件的布局。

8. 使用QStaticText或QPixmap：

   • 对于不更改的文本，使用QStaticText可以提高绘制性能。
   • 对于重复使用的图像，使用QPixmap进行缓存。

9. 避免使用图形效果：

   • 图形效果如阴影、模糊等会增加绘制负担，应谨慎使用。

10. 合理使用更新策略：

    • 对于自定义控件，使用QWidget::setUpdateRect()来定义更高效的更新策略。

11. 使用硬件加速：

    • 如果可能，利用OpenGL或Vulkan等进行硬件加速绘制。

12. 多线程：

    • 对于复杂的图像处理或准备工作，可以在后台线程中进行，以免阻塞UI线程。

13. 调整渲染选项：

    • 使用QPainter的渲染提示来平衡质量和性能。

14. 避免无效的层级结构：

    • 减少嵌套层次和不必要的父子控件关系。

需要注意的是，性能调整往往需要根据具体的应用场景和需求来定制，因此推荐在做出调整后进行充分的测试，以确保既达到了性能目标，又保持了用户界面的质量和响应性。

使用多线程绘制提高性能的例子

在Qt中，UI更新（包括绘制）必须在主线程（也就是UI线程）中完成。但是，我们可以在另一个线程中生成图像数据，然后将这些数据发送回主线程进行显示。下面是这种方法的主要流程：

1. 在工作线程中生成图像 ：

   创建一个工作线程，在这个线程中进行图像的生成或处理，比如绘制到一个QImage或者QPixmap对象上。这可以通过直接在工作线程中创建图像对象并使用QPainter来绘制。

2. 使用信号和槽传输图像 ：

   当图像生成完毕，使用信号和槽机制将图像从工作线程发送回主线程。这通常涉及到在工作线程中发射一个信号，携带生成的图像作为参数。在主线程中，一个槽函数将会接收这个图像。

3. 在主线程中显示图像 ：

   在主线程的槽函数中接收图像，并将其设置到一个控件上显示。这可以是通过调用QLabel::setPixmap()设置QPixmap，或者在自定义控件的paintEvent()中使用QPainter::drawImage()来绘制QImage。

以下是一个简化的代码示例，展示了如何在工作线程中生成图像，并在主线程中显示：

// MyWorkerThread.h
#include <QThread>
#include <QImage>

class MyWorkerThread : public QThread {
    Q_OBJECT

public:
    MyWorkerThread(QObject *parent = nullptr) : QThread(parent) {}

signals:
    void imageReady(const QImage &image);

protected:
    void run() override {
        QImage image(100, 100, QImage::Format_ARGB32);
        QPainter painter(&image);
        // ... 在这里进行绘制操作 ...
        emit imageReady(image);
    }
};

// MyWidget.h
#include <QWidget>
#include <QImage>

class MyWidget : public QWidget {
    Q_OBJECT

public:
    MyWidget(QWidget *parent = nullptr) : QWidget(parent) {
        // Start the worker thread
        connect(&workerThread, &MyWorkerThread::imageReady, this, &MyWidget::updateImage);
        workerThread.start();
    }

    ~MyWidget() {
        workerThread.quit();
        workerThread.wait();
    }

public slots:
    void updateImage(const QImage &image) {
        this->image = image;
        update(); // Schedule a repaint
    }

protected:
    void paintEvent(QPaintEvent *event) override {
        QPainter painter(this);
        if (!image.isNull()) {
            painter.drawImage(0, 0, image);
        }
    }

private:
    MyWorkerThread workerThread;
    QImage image;
};

在上面的例子中，MyWorkerThread类在一个工作线程中生成了一个QImage。一旦图像生成完毕，它通过信号imageReady将图像发送回主线程。MyWidget类有一个槽函数updateImage来接收图像，并使用update()方法请求重绘。在paintEvent()中，接收到的图像被绘制在控件上。

当在工作线程中使用QImage时，应该使用线程安全的图像格式，如QImage::Format_ARGB32。QPixmap是专门为显示优化的，并且通常不应在非UI线程中使用。

通过这两篇文章，相信大家对Qt的绘制体系有了总体上的印象，并且对Qt绘制体系的设计缘由也更加清晰。