Qt高级——Qt元对象系统源码解析

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发布时间：2023-03-03

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Qt高级——Qt元对象系统源码解析

一、Qt元对象系统简介

1.1 元对象系统简介

Qt的信号槽和属性系统基于在运行时进行内省的能力，所谓内省是指面向对象语言的一种在运行期间查询对象信息的能力。C++的内省比较有限，仅支持型别内省，C++的型别内省是通过运行时类型识别（RTTI）中的typeid和dynamic_cast关键字来实现的。Qt拓展了C++的内省机制，但并没有采用C++的RTTI，而是提供了更为强大的元对象（Meta Object）机制，来实现内省机制。基于内省机制，可以列出对象的方法和属性列表，并且能够获取有关对象的所有信息，如参数类型。如果没有内省机制，QtScript和QML是难以实现的。

Qt中的元对象系统全称Meta Object System，是一个基于标准C++的扩展，为Qt提供了信号与槽机制、实时类型信息、动态属性系统。元对象系统基于QObject类、Q_OBJECT宏、元对象编译器MOC实现。

1.2 QObject类

QObject是每一个需要利用元对象系统的类的基类。任何从QObject继承的类都可以利用元对象系统提供的功能。

1.3 Q_OBJECT宏

Q_OBJECT宏定义在每一个类的私有数据段，用来启用元对象功能，比如动态属性、信号和槽。在一个QObject类或者其派生类中，如果没有声明Q_OBJECT宏，那么类的metaObject()返回的就是其父类的metaObject()，导致的后果是从类的实例获得的元数据其实都是父类的数据。因此，任何从QObject继承出来的类，无论是否定义声明了信号、槽和属性，都应该声明Q_OBJECT宏。

1.4 元对象编译器MOC

MOC（Meta Object Complier，元对象编译器）分析C++源文件，如果发现一个头文件中包含Q_OBJECT宏定义，会动态生成一个moc_xxxx命名的C++源文件，包含Q_OBJECT的实现代码，会被编译、链接到类的二进制代码中，作为类的完整的一部分。

二、Qt元对象系统源码解析

2.1 Q_OBJECT宏的定义

Q_OBJECT宏定义在src/corelib/kernel/Qobjectdefs.h文件中。任何从QObject派生的类都包含自己的元数据模型，一般通过宏Q_OBJECT定义。

2.2 QMetaObject类型

QMetaObject类定义在src/corelib/kernel/Qobjectdefs.h文件。QMetaObject中有一个嵌套结构封装了所有的数据：

superdata：元数据代表的类的基类的元数据

stringdata：元数据的签名标记

data：元数据的索引数组的指针

extradata：扩展元数据表的指针，指向QMetaObjectExtraData数据结构

2.3 QT_TR_FUNCTIONS宏定义

QT_TR_FUNCTIONS宏定义与翻译相关。宏定义如下：

static inline QString tr(const char *s, const char *c = 0) {
    return staticMetaObject.tr(s, c);
}

这个宏定义用于翻译字符串，使用静态方法tr()来实现。

2.4 Qt中其它宏的定义

Qt在src/corelib/kernel/Qobjectdefs.h文件中定义了大量的宏。这些宏大部分用于MOC工具解析和处理，具体包括：

Q_SLOTS、Q_SIGNALS、Q_PRIVATE_SLOT、Q_EMIT等用于信号和槽的定义

Q_CLASSINFO、Q_INTERFACES、Q_PROPERTY、Q_PRIVATE_PROPERTY、Q_REVISION、Q_ENUMS、Q_FLAGS、Q_SCRIPTABLE、Q_INVOKABLE、Q_SIGNAL、Q_SLOT等用于元数据的定义和扩展

这些宏定义无实际的代码扩展作用，都是为了MOC工具解析和处理。

2.5 MOC的使用

在工程的Makefile文件中可以查找到MOC生成moc_xxx.cpp文件的命令。例如：

moc Object.cpp -o moc_Object.cpp

MOC工具根据类的元数据定义，自动生成相关的代码。

三、元对象编译器MOC

3.1 MOC功能

MOC主要功能包括：

处理Q_OBJECT宏和signals/slots关键字，生成信号和槽的底层代码

处理Q_PROPERTY()和Q_ENUM()，生成属性系统和枚举类型的代码

处理Q_FLAGS()和Q_CLASSINFO()，生成额外的类元数据信息

不需要MOC处理的代码可以用预定义的宏括起来，例如：
```
#ifndef Q_MOC_RUN
// 不需要MOC处理的代码
#endif
```

3.2 MOC限制

MOC有一些限制：

模板类不能使用信号槽机制

MOC不扩展宏，信号槽的定义不能使用宏，包括connect时的信号和槽名称和参数

从多个类派生时，QObject（或其子类）作为多重继承的父类时，必须放在第一个

函数指针不能作为信号或槽的参数

用枚举类型或typedef的类型做信号和槽的参数时，必须使用完全限定语法

信号和槽不能返回引用类型

信号槽区域只能放置信号和槽的定义，不能放置其他代码或友元声明

嵌套类不能含有信号槽

3.3 自定义类型的注册

在Qt中，自定义类型如果直接使用信号槽来传递，会产生错误：

QObject::connect: Cannot queue arguments of type 'XXXXX' (Make sure 'XXXXX' is registered using qRegisterMetaType())

原因是信号参数需要被拷贝存储在队列中，Qt需要知道如何处理这些类型。解决方法是：

在类的顶部包含#include <QMetaType>

类型定义完成后，加入声明：Q_DECLARE_METATYPE(XXXXX)

在main()函数中注册类型：qRegisterMetaType<XXXXX>("XXXXX")

如果需要传递引用类型，也要注册：qRegisterMetaType<XXXXX>("XXXXX&")

3.4 MOC的使用示例

在Main.cpp中，可以看到MOC生成的代码：

#include 
   
    
#include "Object.h"
int main(int argc, char *argv) {
    QCoreApplication a(argc, argv);
    Object ob("object");
    ob.setProperty("age", QVariant(30));
    qDebug() << "age: " << ob.age();
    qDebug() << "property age: " << ob.property("age").toInt();
    ob.setProperty("score", QVariant(90));
    qDebug() << "score: " << ob.score();
    qDebug() << "property score: " << ob.property("score").toInt();
    // 内省
    qDebug() << "object name: " << ob.objectName();
    qDebug() << "class name: " << ob.metaObject()->className();
    qDebug() << "isWidgetType: " << ob.isWidgetType();
    qDebug() << "inherit: " << ob.inherits("QObject");
    return a.exec();
}