(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:
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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。
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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。
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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:
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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。
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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:
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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。 -
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。 -
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。 -
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。 -
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。 -
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:
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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
。
-
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。
-
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。
- 在
-
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。
- 使用
-
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。
-
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。
- 对于不经常变化的内容,可以将其缓存到
-
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。
-
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。
- 对于不更改的文本,使用
-
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。
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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。
- 对于自定义控件,使用
-
使用硬件加速:
- 如果可能,利用OpenGL或Vulkan等进行硬件加速绘制。
-
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。
-
调整渲染选项:
- 使用
QPainter
的渲染提示来平衡质量和性能。
- 使用
-
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:
-
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。 -
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。
-
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
// 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。