Qt“靈魂”之Meta-Object系統(tǒng)

一、Meta-Object簡(jiǎn)介

Meta-Object即是Qt的元對(duì)象系統(tǒng)，下文都以元對(duì)象系統(tǒng)進(jìn)行描述。在Qt中，具有標(biāo)志性特征的則是信號(hào)和槽函數(shù)機(jī)制，該機(jī)制的背后實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上則是元對(duì)象系統(tǒng)。編寫(xiě)Qt代碼的時(shí)候，在定義類的時(shí)候，需要放置一個(gè)Q_OBJECT，為什么呢？后文會(huì)描述到，例如如下代碼：

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Q_OBJECT本質(zhì)上是一個(gè)宏定義，在進(jìn)行Qt開(kāi)發(fā)時(shí)，所有QObject的派生類都推薦在頭文件中放置Q_OBJECT宏定義，該宏定義如下（出自qobjectdefs.h文件）：

#defineQ_OBJECT
public:
QT_WARNING_PUSH
Q_OBJECT_NO_OVERRIDE_WARNING
staticconstQMetaObjectstaticMetaObject;
virtualconstQMetaObject*metaObject()const;
virtualvoid*qt_metacast(constchar*);
virtualintqt_metacall(QMetaObject::Call,int,void**);
QT_TR_FUNCTIONS
private:
Q_OBJECT_NO_ATTRIBUTES_WARNING
Q_DECL_HIDDEN_STATIC_METACALLstaticvoidqt_static_metacall(QObject*,QMetaObject::Call,int,void**);
QT_WARNING_POP
structQPrivateSignal{};
QT_ANNOTATE_CLASS(qt_qobject,"")

Qt中，元對(duì)象系統(tǒng)包含了支持元對(duì)象系統(tǒng)的程序，宏定義，基類，接口函數(shù)。這些東西共同構(gòu)成了Qt的元對(duì)象系統(tǒng)：

（1）QObject為想要使用元對(duì)象系統(tǒng)的對(duì)象提供了基類。

（2）Q_OBJECT宏用于啟動(dòng)元對(duì)象特性，例如：動(dòng)態(tài)屬性、信號(hào)和槽函數(shù)機(jī)制等。

（3）元對(duì)象編譯器（moc）為每個(gè)QObject子類生成實(shí)現(xiàn)元對(duì)象特性所需要的代碼。

在實(shí)際Qt程序設(shè)計(jì)中，在派生自QObject的類定義中加上Q_OBJECT后，則可以使用元對(duì)象系統(tǒng)所支持的特性了。

二、元對(duì)象系統(tǒng)背后機(jī)制

如果在派生自QObject的類定義中加上了Q_OBJECT后，在編譯構(gòu)建過(guò)程中，元對(duì)象系統(tǒng)的moc工具（本文以Windows平臺(tái)為例，該工具則位于具體Qt版本目錄下的bin目錄中）

在Windows命令行下運(yùn)行，可獲知如下信息：

在QtCreator集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，當(dāng)點(diǎn)擊構(gòu)建按鈕后，QtCreator會(huì)自動(dòng)調(diào)用moc工具，該工具會(huì)讀取一個(gè)C++源文件，如果它發(fā)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)包含Q_OBJECT宏的類聲明，那么則會(huì)生成另外一個(gè)C++源文件，源文件中包含每個(gè)類的元對(duì)象代碼。接著，生成的源文件要么被#include包含到類的源文件中，要么被編譯并鏈接到類的實(shí)現(xiàn)中。例如下列一個(gè)簡(jiǎn)單的項(xiàng)目工程，源碼結(jié)構(gòu)如下：

從上圖可知，工程中包含了一個(gè)main.cpp、一個(gè)主窗口描述文件mainwindow.cpp/.h、一個(gè)stylesheeteditor.cpp/.h文件，由于mainwindow.cpp/.h、stylesheeteditor.cpp/.h支持Qt的元對(duì)象系統(tǒng)，在編譯構(gòu)建過(guò)程中，則會(huì)生成支持元對(duì)象系統(tǒng)的中間文件，如下圖所示：

從上圖可知，這些文件都以moc_xxx方式進(jìn)行命名，最后結(jié)合其他的文件生成了程序可執(zhí)行體（stylesheet.exe），整個(gè)過(guò)程可如下圖所示（Windows平臺(tái)）：

三、再談元對(duì)象系統(tǒng)

除了提供對(duì)象之間通信的信號(hào)和槽函數(shù)機(jī)制（這是引入該系統(tǒng)的主要原因），元對(duì)象系統(tǒng)還提供以下的功能：

（1）Object::metaObject()：返回類的關(guān)聯(lián)元對(duì)象。

（2）QMetaObject::className()：在運(yùn)行時(shí)以字符串的形式返回類名，而不需要通過(guò)C++編譯器提供本地運(yùn)行時(shí)類型信息(RTTI)支持。

（3）QObject::inherits()：函數(shù)返回一個(gè)對(duì)象是否是在QObject繼承樹(shù)中繼承指定類實(shí)例。

（4）QObject::tr()和QObject::trUtf8()為國(guó)際化翻譯字符串。

（5）QObject::setProperty()和QObject::property()根據(jù)名稱動(dòng)態(tài)設(shè)置和獲取屬性。

（6）QMetaObject::newInstance()：構(gòu)造類的新實(shí)例。

除了上述所列的功能，還可以使用qobject_cast()對(duì)QObject類執(zhí)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，qobject_cast()函數(shù)的行為類似于標(biāo)準(zhǔn)C++ 的dynamic_cast()，它的優(yōu)點(diǎn)是不需要RTTI支持，并且可以跨動(dòng)態(tài)庫(kù)工作。該函數(shù)嘗試將其參數(shù)轉(zhuǎn)換為尖括號(hào)中指定的指針類型，如果對(duì)象的類型正確（在運(yùn)行時(shí)確定），則返回非零指針；如果對(duì)象的類型不兼容，則返回nullptr。

例如，假設(shè)有一個(gè)MyWidget繼承自QWidget，并使用了Q_OBJECT宏聲明，然后使用new創(chuàng)建該實(shí)例：

QObject*obj=newMyWidget;

類型為QObject *的obj變量實(shí)際上引用了一個(gè)MyWidget對(duì)象，所以我們可以對(duì)它進(jìn)行適當(dāng)?shù)念愋娃D(zhuǎn)換，如下代碼：

QWidget*widget=qobject_cast(obj);

從QObject到QWidget的轉(zhuǎn)換是成功的，因?yàn)樵搶?duì)象實(shí)際上是一個(gè)MyWidget，它是QWidget的一個(gè)子類。既然知道obj是一個(gè)MyWidget，我們也可以將它c(diǎn)ast到MyWidget *，如下代碼：

MyWidget*myWidget=qobject_cast(obj);

上述代碼對(duì)MyWidget的轉(zhuǎn)換是也成功的，因?yàn)閝object_cast()在內(nèi)置Qt類型和自定義類型之間沒(méi)有區(qū)別。

然而對(duì)于下列代碼：

QLabel*label=qobject_cast(obj);

對(duì)QLabel的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換將失敗，會(huì)將指針設(shè)置為0。因此可以在運(yùn)行時(shí)處理不同類型的對(duì)象，例如：

if(QLabel*label=qobject_cast(obj))
{
label->setText(tr("iriczhao"));
}
elseif(QPushButton*button=qobject_cast(obj))
{
button->setText(tr("嵌入式小生"));
}

上述代碼使用qobject_case()對(duì)obj進(jìn)行了向QLabel和QPushButton的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，如果轉(zhuǎn)換成功，則設(shè)置對(duì)應(yīng)的顯示文本。

四、小生總結(jié)

在實(shí)際Qt開(kāi)發(fā)過(guò)程中，雖然可以在沒(méi)有Q_OBJECT宏和元對(duì)象代碼的情況下將QObject作為基類，但如果沒(méi)有使用Q_OBJECT宏，則信號(hào)和槽函數(shù)機(jī)制或在本文中描述的其他特性都不能使用。從元對(duì)象系統(tǒng)的角度來(lái)看，一個(gè)沒(méi)有元代碼的QObject子類等價(jià)于它最近的有元對(duì)象代碼的祖先。這意味著，例如，QMetaObject::className()將不會(huì)返回自己類的實(shí)際名稱，而是這個(gè)祖先的類名稱。

因此，在實(shí)際Qt開(kāi)發(fā)過(guò)程中，無(wú)論實(shí)際上是否使用了信號(hào)和槽函數(shù)機(jī)制，都強(qiáng)烈建議QObject的所有子類都使用Q_OBJECT宏。

審核編輯：湯梓紅