【QT】理解QT机制之“元对象系统”

1001101_QIA2025-05-31 13:13

目录

前置知识：

（1）C++运行时多态

（2）RTTI

QT的元对象系统

1.元对象系统基本内容

2.元对象代码

3.元对象系统其它特性

前置知识：

在理解Qt的元对象系统之前，有必要理解C++的动态多态相关知识。

（1）C++运行时多态

**C++的运行时多态是由虚函数和继承实现的。当一个基类中存在虚函数的时候，基类指针就可以指向任何派生类的对象。**如果在基类中声明了虚函数，并在派生类中重写了这些虚函数，当基类指针或引用指向派生类对象并调用虚函数时，会根据对象的实际类型而不是指针类型来确定调用的函数。

例如，下面这段程序，main函数中，父类指针指向派生类对象。父类Parent中的come被声明为虚函数，在main函数中，虽然指向两个派生类对象的是父类指针，但是运行时还是调用派生类中的come()函数。

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
public:
    Parent() {
        cout << "我是你父母" << endl;
    }

    virtual ~Parent() {
        cout << "父类析构" << endl;
    }
    virtual void come(){
        cout << "父母来了" << endl;
    }
};

class Son : public Parent
{
public:
    Son() {
        cout << "我是你儿子" << endl;
    }

    ~Son() override {
        cout << "儿子析构" << endl;
    }
    void come(){
        cout << "儿子来了" << endl;
    }
};

class Daughtor : public Parent
{
public:
    Daughtor() {
        cout << "我是你闺女" << endl;
    }

    ~Daughtor() override {
        cout << "闺女析构" << endl;
    }
    void come(){
        cout << "闺女来了" << endl;
    }
};

int main()
{
    Parent *child1 = new Son();
    Parent *child2 = new Daughtor();
    
    child1->come();
    child2->come();

    delete child1;
    delete child2;
    
    return 0;
}

输出：

但是如何判断基类指针到底指向的那个对象呢？这就用到了RTTI机制。

（2）RTTI

RTTI（Run-Time Type Identification） 是C++中的一种机制，允许在运行时确定对象的类型。程序能够使用基类的指针或引用，来检查这些指针或引用所指的对象的实际派生类型。

RTTI提供了两个非常有用的操作符：dynamic_cast和typeid。

（2.1）dynamic_cast

dynamic_cast(expression)： dynamic_cast 主要用于在继承体系中进行安全的向下 转换（基类指针或引用------->派生类指针或引用）。dynamic_cast 是一种安全的转换，有类型检查的功能，如果转换失败返回NULL。

因此，dynamic_cast可以用来判断父类对象是否存在某个派生类，如以下程序所示：Son继承了Parent，是Parent的派生类；daughtor没有继承Parent，不是Parent的派生类。使用dynamic_cast将p转为Daughtor类型时返回NULL。

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
public:
    Parent() {
        cout << "我是你父母" << endl;
    }

    virtual ~Parent() {
        cout << "父类析构" << endl;
    }
    virtual void come(){
        cout << "父母来了" << endl;
    }
};

class Son : public Parent
{
public:
    Son() {
        cout << "我是你儿子" << endl;
    }

    ~Son() override {
        cout << "儿子析构" << endl;
    }
    void come(){
        cout << "儿子来了" << endl;
    }
};

class Daughtor 
{
public:
    Daughtor() {
        cout << "我是你闺女" << endl;
    }

    ~Daughtor()  {
        cout << "闺女析构" << endl;
    }
    void come(){
        cout << "闺女来了" << endl;
    }
};

int main()
{
    Parent *p = new Son();

    Son *son = dynamic_cast< Son *> (p);
    if(son != nullptr)
    {
        cout << "p有son子类" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "p没有son子类" << endl;
    }

    Daughtor *daughtor = dynamic_cast< Daughtor *> (p);
    if(daughtor != nullptr)
    {
        cout << "p有daughtor子类" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "p没有daughtor子类" << endl;
    }

    delete p;
    
    return 0;
}

输出：

（2.2）typeid

typeid能够返回类型的名字，在前面的代码里增加下面的代码，也可以判断指针和所指向对象的类型。

cpp 复制代码 
    if(typeid(p).name() ==  typeid(Parent*).name())
    {
        cout << "p指针是Parent类型" << endl; 
    }
    else if(typeid(p).name() ==  typeid(Son*).name())
    {
        cout << "p指针是Son类型" << endl; 
    } 

    if(typeid(*p).name() ==  typeid(Parent).name())
    {
        cout << "p指针指向的是Parent类型" << endl; 
    }
    else if(typeid(*p).name() ==  typeid(Son).name())
    {
        cout << "p指针指向的是Son类型" << endl; 
    }

完整代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
public:
    Parent() {
        cout << "我是你父母" << endl;
    }

    virtual ~Parent() {
        cout << "父类析构" << endl;
    }
    virtual void come(){
        cout << "父母来了" << endl;
    }
};

class Son : public Parent
{
public:
    Son() {
        cout << "我是你儿子" << endl;
    }

    ~Son() override {
        cout << "儿子析构" << endl;
    }
    void come(){
        cout << "儿子来了" << endl;
    }
};

class Daughtor 
{
public:
    Daughtor() {
        cout << "我是你闺女" << endl;
    }

    ~Daughtor()  {
        cout << "闺女析构" << endl;
    }
    void come(){
        cout << "闺女来了" << endl;
    }
};

int main()
{
    Parent *p = new Son();

    Son *son = dynamic_cast< Son *> (p);
    if(son != nullptr)
    {
        cout << "p有son子类" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "p没有son子类" << endl;
    }

    Daughtor *daughtor = dynamic_cast< Daughtor *> (p);
    if(daughtor != nullptr)
    {
        cout << "p有daughtor子类" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "p没有daughtor子类" << endl;
    }


    if(typeid(p).name() ==  typeid(Parent*).name())
    {
        cout << "p指针是Parent类型" << endl; 
    }
    else if(typeid(p).name() ==  typeid(Son*).name())
    {
        cout << "p指针是Son类型" << endl; 
    } 

    if(typeid(*p).name() ==  typeid(Parent).name())
    {
        cout << "p指针指向的是Parent类型" << endl; 
    }
    else if(typeid(*p).name() ==  typeid(Son).name())
    {
        cout << "p指针指向的是Son类型" << endl; 
    } 

    delete p;
    
    return 0;
}

输出：

通过前面的代码示例，我们知道，dynamic_cast和typeid能判断是不是某个类型，但是dynamic_cast和typeid也只能判断是不是某个类型， 也就是只能知道类型名。这就是C++的缺点所在，也是Qt创建元对象系统的原因之一。

完整的描述一个类型需要很多信息，例如类的名字、有哪些父类、有哪些成员变量、有哪些成员函数、哪些是public的、哪些是private的、哪些是protected的等等。有时候一个工程项目可能包含成千上万个类，完整的保存这些信息将会消耗大量的内存资源。为了节省内存，C++标准约定typeid只能返回类名。因此，仅靠dynamic_cast和typeid两个关键字提供的类型信息实在有限。[1]
**由于C++的RTTI机制只能提供有限的类型信息，于是Qt构建了自己的元对象系统（Meta-Object）。**使用该系统的基类QObject所创建的派生类对象，可以在运行期获取该对象的类名、父类名、枚举类型以及有哪些成员变量、有哪些成员函数等信息。[1]

QT的元对象系统

1.元对象系统基本内容

Qt中的元对象系统（Meta-Object System）提供了**对象间通信的信号和槽机制、运行时类型信息和动态属性系统。**QT中的元对象系统基于以下三个方面：

1）QObject类为能够利用元对象系统的类提供了一个基类。

2）" Q_OBJECT"宏用于启用元对象功能，例如信号槽机制。（一般建议在QObject的所有子类中使用Q_OBJECT宏，而不管它们是否使用了信号与槽。）

3）元对象编译器moc（ Meta-Object Compiler ）为每个QObject子类提供了实现元对象功能所需的代码。

moc工具读取一个c++源文件，如果它发现一个或多个包含Q_OBJECT宏的类声明，它会解析类的结构（信号、槽、属性、枚举等）等，并生成另一个c++源文件moc_*.cpp，其中包含每个类的元对象代码（元对象代码是Qt元对象系统的核心组成部分，它为Qt提供了信号与槽机制、动态属性系统和反射能力。）。生成的源文件要么#include到类的源文件中，要么（更常见的是）编译并链接到类的实现中。moc是由构建系统自动执行的。

2.元对象代码

例如，编写了一个widget.cpp，其中创建了widget类继承自QObject类并包含了Q_OBJECT宏。编译后，moc工具会自动生成一个名为moc_widget.cpp的文件：

1）MOC 生成的元对象数据结构存储类的所有元信息。（每个类只有一个元对象，它包含了类的名称、父类指针、属性、信号和槽等信息[4]。）

2）信号在 MOC 生成的代码中被实现为调用QMetaObject::activate()：

3）每个槽函数对应一个元方法索引，用于运行时调用：

4）每个类的元对象通过staticMetaObject访问：

3.元对象系统其它特性

元对象系统主要是为了实现信号和槽机制才被引入的，不过除了信号和槽机制以外，元对象系统还提供了其他一些特性：

  • QObjeCt::metaObject()函数可以返回一个类的元对象，它是QMetaObject类的对象；
  • QMetaObject::className()可以在运行时以字符串形式返回类名，而不需要C+ +编辑器原生的运行时类型信息（RTTI）的支持；
  • QObject:: "inherits()函数返回一个对象是否是QObject继承树上一个类的实例的信息；
  • QObject: :tr()和QObject: :trUtf8()迸行字符串翻译来实现国际化；
  • QObject::setProperty()和QObject::property()通过名字来动态设置或者获取对象属性；
  • QMetaObject: :newlnstance()构造该类的一个新实例。

1）QObjeCt::metaObject()函数可以返回一个类的元对象，它是QMetaObject类的对象；

cpp 复制代码 
MyClass obj;
const QMetaObject* metaObj = obj.metaObject();

2） QMetaObject::className()可以在运行时以字符串形式返回类名，而不需要C+ +编辑器原生的运行时类型信息（RTTI）的支持；

cpp 复制代码 
// 获取类名
qDebug() << "类名:" << metaObj->className(); // 输出: "MyClass"

3）QObject:: "inherits()函数返回一个对象是否是QObject继承树上一个类的实例的信息；

cpp 复制代码 
#include <QObject>
#include <QWidget>
#include <QPushButton>
#include <QDebug>

void printObjectHierarchy (const QObject* obj) {
qDebug () << "对象类型:" << obj->metaObject ()->className ();

qDebug () << "是否是 QObject:" << obj->inherits ("QObject");
qDebug () << "是否是 QWidget:" << obj->inherits ("QWidget");
qDebug () << "是否是 QPushButton:" << obj->inherits ("QPushButton");
qDebug () << "是否是 QLabel:" << obj->inherits ("QLabel");
}

int main() {
QObject baseObj;
QWidget widget;
QPushButton button;

qDebug () << "=== QObject 对象 ===";
printObjectHierarchy (&baseObj);

qDebug () << "\n=== QWidget 对象 ===";
printObjectHierarchy (&widget);

qDebug () << "\n=== QPushButton 对象 ===";
printObjectHierarchy (&button);

return 0;
}

4）QObject: :tr()和QObject: :trUtf8()迸行字符串翻译来实现国际化；

5）QObject::setProperty()和QObject::property()通过名字来动态设置或者获取对象属性；

​使用通用函数QObject::property() 和QObject::setProperty() 可以读写属性，除了属性名称外，无需知道属性所属类的任何信息。在下面的代码片段中，调用QAbstractButton::setDown() 和调用QObject::setProperty() 都设置了属性 "down"。 ​

cpp 复制代码 
QPushButton *button = new QPushButton;
QObject *object = button;

button->setDown(true);
object->setProperty("down", true);

其他关于属性的详细内容可查看Qt官方手册：

The Property System | Qt Core | Qt 6.9.0

6）QMetaObject: :newlnstance()构造该类的一个新实例。

当通过类型名构造类的新实例时，必须知道类型名。而newInstance()可以在运行时动态创建对象。

cpp 复制代码 
// 编译时已知类型创建实例
MyClass* obj = new MyClass(parent);
cpp 复制代码 
// 运行时通过元对象创建实例
const QMetaObject* metaObj = &MyClass::staticMetaObject;
QObject* obj = metaObj->newInstance(Q_ARG(QObject*, parent));

详细示例可查看下面的博客：

使用Qt的meta-object系统，如QMetaObject::newInstance，QMetaObject::invokeMethod等创建对象 - 不败剑坤 - 博客园

参考文献：

[1] Qt中的元对象系统（Meta-Object System） - 知乎

[2] C++ typeid关键字详解-CSDN博客

[3] Qt对象模型之二：对象树与元对象系统 - fengMisaka - 博客园

[4] QT 元对象系统实现原理 - 知乎

5\][QMetaObject::newInstance()的使用 - 知乎](https://zhuanlan.zhihu.com/p/625372030 "QMetaObject::newInstance()的使用 - 知乎") [\[6\]使用Qt的meta-object系统，如QMetaObject::newInstance，QMetaObject::invokeMethod等创建对象 - 不败剑坤 - 博客园](https://www.cnblogs.com/light-LifeClub/p/18733669 "[6]使用Qt的meta-object系统，如QMetaObject::newInstance，QMetaObject::invokeMethod等创建对象 - 不败剑坤 - 博客园")

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