Qt 信号和槽源码分析

做者：曹群
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引言：

Qt 是一个1991年由Qt Company开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。它既能够开发GUI程序，也可用于开发非GUI程序，好比控制台工具和服务器。Qt是面向对象的框架，使用特殊的代码生成扩展（称为元对象编译器(Meta Object Compiler, moc)）以及一些宏，Qt很容易扩展，而且容许真正地组件编程。Qt是跨平台开发框架，支持Windows、Linux、MacOS等不一样平台；Qt有大量的开发文档和丰富的API，给开发者带来了很大的方便；Qt的使用者也愈来愈多，有不少优秀的产品都基于Qt开发，如：WPS Offic 、Opera浏览器、Qt Creator等。Qt的核心机制就是信号和槽，接下来咱们经过源代码分析一下实现原理。

基本概念：

• 信号：当对象改变其状态时，信号就由该对象发射 (emit) 出去，并且对象只负责发送信号，它不知道另外一端是谁在接收这个信号。
• 槽：用于接收信号，并且槽只是普通的对象成员函数。一个槽并不知道是否有任何信号与本身相链接。
• 信号与槽的链接：全部从 QObject 或其子类 ( 例如 QWidget ) 派生的类都可以包含信号和槽。是经过静态方法：QObject::connect(sender, SIGNAL(signal), receiver, SLOT(slot)); 来进行管理的，其中 sender 与 receiver 是指向对象的指针，SIGNAL() 与 SLOT() 是转换信号与槽的宏。

实现原理：

• 一、首先咱们搭建好环境，如在Windows系统上：安装Qt5.7（包括源码） + VS2013 及 对应的插件，咱们主要是经过VS来进行编译调试的。
• 二、咱们写一个简单实例，而后进行构建，再把Qt安装目录中的QtCored的pdb拷贝到咱们的可执行文件目录下面，以下图所示：

下面是咱们要分析的Demo代码：
// MainWindow.h

// MainWindow.cpp

咱们能够建立一个Qt工程，名称为Demo，编写上面的代码，进行构建，在VS下能够把Qt工程导成VS工程，编译生成，运行结果以下：

点击中间的按钮，咱们能够看到控制台打印以下信息：

第一步：基本结构：

咱们分析代码，能够看到在头文件Test和MainWindow类中，都有Q_OBJECT这样的宏，而后咱们能够看到上面的可执行文件夹下多出来一个moc_MainWindow.cpp文件，那么咱们能够尝试把这两个宏去掉，再进行构建，发现加上了信号和槽的就没法编译过去，咱们去掉这些信号和槽后，就不会生成moc开头的这个文件了，固然咱们就没法实现信号和槽机了，那么这个宏究竟是什么，有了它编译器又会作什么？让咱们看看这个宏：

原来这个宏就是一些静态方法和虚方法，可是若是咱们加入到类中，不进行实现，那必定会报错的，为何还能够正常运行呢？原来Qt帮咱们作了不少事情，在编译器编译Qt代码以前，Qt先将Qt自身扩展的语法进行翻译，这个操做是经过moc（Meta-Object Compiler）又称“元对象编译器”完成的。首先moc会分析源代码，把包含Q_OBJECT的头文件生成为一个C++源文件，这个文件的名字会是源文件名前面加上moc_，以后和原文件一块儿经过编译器处理，那咱们想到，这个moc开头的cpp中必定实现了上面宏里面的方法，以及数据的赋值；接下来咱们看看moc_MainWindow.cpp这个文件：

咱们从上面的代码中能够看到，是对Q_OBJECT中的静态数据进行了赋值，而且实现了那些方法，这些都是Qt的moc编译器帮咱们生成的，对代码进行了分析，对信号和槽生成了符号，以及特定的数据结构，下面这个主要是记录了类、信号、槽的引用计数、大小、偏移，后面会用到。

经过把QT_MOC_LITERAL这个宏进行替换后，获得以下数据 :

接下来咱们看看下面qt_meta_data_MainWindow这个数组结构：content有两列，第一列是总数，第二列是在这个数组中描述开始的索引，如1, 14, // methods，说明有一个methods，咱们能够看到slots就是从索引14开始的。

从最上面的源代码中咱们能够看到再关联信号和槽的时候，用到了SIGNAL和SLOT这两个宏，那么这两个宏到底有什么做用呢？咱们分析一下：

分析：

从上面咱们能够看到其实这两个就是一个字符串拼接的宏，会在信号(signal)前面拼接"2"，如”2clean()“；会在槽(slots)前面拼接"1"，如”1onClean()“; 其中，qFlagLocation这个方法主要是把method存储在QThreadData里面FlaggedDebugSignatures中的const char* locations[Count];表中，用于定位代码对应的行信息。

预编译后以下：

经过上面的一些基本宏、数据结构的介绍，咱们知道Qt给咱们作了不少工做，帮咱们生成了moc代码，给咱们提供了一些宏，让咱们开发简洁方便，那么Qt又是如何把信号和槽进行关联的呢，就是两个不一样的实例，又是如何进行经过信号槽机制进行通讯的呢？接下来咱们看看信号和槽关联的实现原理：

第二步、信号和槽的关联：

• 一、检先对信号和槽的字符串进行检查，QSIGNAL_CODE 是 1 ；SIGNAL_CODE 是 2。

• 二、获取元数据（sender和receiver同理）。

这个方法就是咱们上面moc_MainWindow.cpp中。

咱们根据调试能够看到QObject::d_ptr->metaObject是空的，因此这样smeta就是上面这个staticMetaObject变量了。

// 首先咱们得了解一下这个QMetaObject 和 QMetaObjectPrivate 的定义：

在Qt中为了实现二进制兼容性，通常会定义一个私有类，QMetaObjectPrivate就是QMetaObject的私有类，QMetaObject负责一些接口实现，QMetaObjectPrivate具体进行实现，这两个类通常是经过P指针和D指针进行组合式的访问，有一个宏：

咱们看上面的staticMetaObject是一个QMetaObject类型的变量，其中QMetaObject进行了赋值：

• 1）&QWidget::staticMetaObject（父对象的MetaObject）-> superdata
• 2）qt_meta_stringdata_Test.data -> stringdata
• 3）qt_meta_stringdata_Test() -> data
• 4）qt_static_metacall（回调函数）->static_metacall

其中QMetaObject 是对外的结构，里面的connect方法最终调用的仍是QMetaObjectPrivate里面的connect进行实现的。QMetaObject里的d成员填充了上面的staticMetaObject数据，而QMetaObjectPrivate里面的成员填充qt_meta_stringdata_Test数组中的数据，咱们能够看到填充前14个数据，这也是moc生成methodData时以14为基数的缘由了，转换方法以下：

• 三、对信号参数、名称进行获取和保存，以下，把信号的参数保存起来，返回方法名称。

• 四、计算索引（包括基类）。

具体实现以下：

其中int handle = priv(m->d.data)->methodData + 5i; 咱们能够分析，其实就是14+5i ，那为何是5呢？由于：
// signals: name, argc, parameters, tag, flags
1, 0, 24, 2, 0x06 / Public /,
// slots: name, argc, parameters, tag, flags
3, 0, 25, 2, 0x08 / Private /,
咱们能够看到每个signals或者slots都有5个整形表示。

• 五、对掩码进行检查。

// MethodFlags是一个枚举类型，咱们能够看到MethodSignal = 0x04， MethodSlot = 0x08；

// slots: name, argc, parameters, tag, flags
3, 0, 25, 2, 0x08 / Private /,

• 六、判断连接类型，默认是Qt::AutoConnection。

enum ConnectionType {

  AutoConnection,

  DirectConnection,

  QueuedConnection,

  BlockingQueuedConnection,

  UniqueConnection =  0x80

};

咱们介绍一些链接类型：

• 一、AutoConnection：自动链接：默认的方式，信号发出的线程和糟的对象在一个线程的时候至关于：DirectConnection， 若是是在不一样线程，则至关于QueuedConnection。
• 二、DirectConnection：直接链接：至关于直接调用槽函数，可是当信号发出的线程和槽的对象再也不一个线程的时候，则槽函数是在发出的信号中执行的。
• 三、QueuedConnection ：队列链接：内部经过postEvent实现的。不是实时调用的，槽函数永远在槽函数对象所在的线程中执行。若是信号参数是引用类型，则会另外复制一份的。线程安全的。
• 四、BlockingQueuedConnection：阻塞链接：此链接方式只能用于信号发出的线程 和 槽函数的对象再也不一个线程中才能用，经过信号量+postEvent实现的，不是实时调用的，槽函数永远在槽 函数对象所在的线程中执行，可是发出信号后，当前线程会阻塞，等待槽函数执行完毕后才继续执行。
• 五、UniqueConnection ：防止重复链接。若是当前信号和槽已经链接过了，就再也不链接了。

最后到了信号和槽关联核心的地方了：

首先，咱们先得了解如下数据结构：

上面的这三个数据结构很重要，QObject是咱们最熟悉的基类，QObjectPrivate是它的私有类，进行具体实现，QObjectPrivate继承自QObjectData，在QObject里面以组合的形式也进行P指针和D指针的方式进行访问的。在信号和槽关联过程当中，数据结构Connection是很重要的数据结构，下面的这个结构是ConnectionList的一个Vector：

有了上面的数据结构，咱们就能够分析下面的连接过程了， 咱们看到下面的先是调用的QMetaObjectPrivate的connect， 以后又用QMetaObject::Connection进行了指针包装：

QObjectPrivate::get(s) 方法其实就是获取了一个QObjec里面的QObjectPrivate实例，以后调用addConnection方法添加到链表中：

结构以下：

分析：

• 一、每一个QObject对象都有一个QObjectConnectionListVector结构，这是一个Vector容器，它里面的基本单元都是ConnectionList类型的数据，ConnectionList的个数与该QObject对象的signal个数相同。每一个ConnectionList对应一个信号，它记录了链接到这个信号上的全部链接。前面已经看到ConnectionList的定义中有两个重要成员：first和last，他们都是Connection 类型的指针，分别指向链接到这个信号上的第一个和最后一个链接。全部链接到这个信号上的链接以单向链表的方式组织了起来，Connection结构体中的nextConnectionList成员就是用来指向这个链表中的下一个链接的。
• 二、同时，每一个QObject对象还有一个senders成员，senders是一个Connection类型的指针，senders自己也是一个链表的头结点，这个链表中的全部结点都是链接到这个QObject对象上的某个槽的链接。不过这个链表跟上一段提到的链表可不是同一个，虽然他们可能有一些共同结点。
• 三、每个Connection对象都同时处于两个链表当中。其中一个是以Connection的nextConnectionList成员组织起来的单向链表，这个单项链表中每一个结点的共同点是，他们都依赖于同一个QObject对象的同一个信号，这个链表的头结点就是这个信号对应的ConnectionList结构中的first；另外一个链表是以Connection的next和prev成员组织起来的双向链表，这个双向链表中每一个结点的共同点是，他们的槽都在同一个QObject对象上，这个链表的头结点就是这个Qobject对象的sender。这两个链表会有交叉（共同结点），但他们有不一样的连接指针，因此不是同一个链表。
• 四、在Connect的时候，就是先new一个Connection对象出来，设置好这个链接的信息后，将它分别添加到上面提到的两个链表中；disconnect的时候，就从从这两个链表中将它移除，而后delete掉。而当一个QObject对象被销毁的时候，它的sender指针指向的那个双向链表中的全部链接都会被逐个移除！

第三步、发送信号到接受信号：

• 一、咱们点击上面的button后，而后调用到onDestory槽里面， 这是咱们写的信号触发的地方：

• 二、接下来就进入了moc_MainWindow.cpp里面的代码，调用了QMetaObject的静态方法activate：

// 而后进入真正的QMetaObject::activate

咱们的例子是Autoconntion模式，因此就会执行下面的代码进行回调：

咱们终于看到了，函数进行了回调到moc_MainWindow.cpp里面，而后调用对应的槽onClean ；

最终调用到这里后，打印输出："MainWindow::onClean"

最后就是调用完后，会回到onDestory这里：

注意：若是咱们在onClean中进行了对m_testWidget对象的释放操做（delete m_testWidget），再到onDestory()中 emit clean(); 后面进行访问成员，那么必定崩溃，因此要注意。

参考文献：

一、https://woboq.com/blog/how-qt...

二、Qt5.7源码

三、本身用C++实现的信号和槽demo：http://note.youdao.com/notesh...