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,QWindowQBackingStore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

    • 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QPixmapQImage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QStaticTextQPixmap

    • 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:

cpp 复制代码
// 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_ARGB32QPixmap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。

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