Qt学习（15）——元对象系统
Qt程序里元对象系统无处不在，元对象系统最主要的一个功能就是实现信号和槽，窗体和控件对象之间的沟通一般都使用信号和槽，这是非常核心的东西，在学习了这些基础之后就可以根据Qt的帮助文档自学。本节简要介绍Qt元对象系统，信号和槽机制，基本是从Qt文档翻译过来的，然后通过按钮弹窗示例学习一下信号和槽的简单应用。
1、元对象系统简介
在Qt助手的索引里面输入“The Meta-Object System”，就可以看到元对象系统的英文文档。现在将其主要内容描述如下：
Qt元对象系统实现了对象之间的通信机制——信号和槽，并提供了运行时类型信息和动态属性系统。元对象系统是Qt类库独有的功能，是Qt对标准C++的扩展，并且元对象系统本身也是由纯C++语言写成的，所以学好C++是必须的前提。使用元对象系统的前提需要三件事情：
- 直接或间接地以QObject为基类，这样才能利用元对象系统的功能，Qt的窗体和控件最顶层的基类都是QObject。
- 将Q_OBJECT放在类声明的私有段落，以启用元对象特性，如动态属性、信号和槽等。之前遇到的Q_OBJECT都是在类声明里面的第一行，没有加private字样，因为类声明默认就是私有的。
- 元对象编辑器（Meta-Object Compiler，moc）为每个QObject的子类提供必要的代码以实现元对象特性。
moc工具读取C++源码，找到一个或多个包含Q_OBJECt宏的类声明，然后生成额外的代码文件，如moc_widget.cpp，里面包含实现元对象系统的代码。生成的源文件可以包含在类原有的源文件里，如在widget.cpp里包含：
#include "moc_widget.cpp"
这种包含方式看起来比较别扭，Linux 上的开发工具 KDevelop 自动生成的代码是这么用的。第二种方式是编译链接时揉到一起，Qt Creator 生成的代码就是通过编译链接时，把 moc_widget.o 与其他目标文件链接到一起，这种方式不用改源代码，相对而言比较顺眼。
除了提供信号和槽机制用于对象之间的通信（这是主要任务），元对象系统还提供了更多的特性：
- QObject::metaObject( ) 函数返回当前类对象关联的元对象（meta-object）。
- QMetaObject::className( ) 函数返回当前对象的类名称字符串，而不需要 C++ 编译器原生的运行时类型信息（run-time type information，RTTI）支持。
- QObject::inherits( ) 函数判断当前对象是否从某个基类派生，判断某个基类是否位于从 QObject 到对象当前类的继承树上。
- QObject::tr() 和 QObject::trUtf8( ) 函数负责翻译国际化字符串，因为 Qt5 规定源文件字符编码是UTF-8，所以这两个函数现在功能是一样的。
- QObject::setProperty( ) 和 QObject::property( ) 函数用于动态设置和获取属性，都通过属性名称字符串来操作。
- QMetaObject::newInstance( ) 构建一个当前类的新实例对象。
元对象系统还提供了qobject_cast( )函数，可以对基于QObject的类对象进行转换，qobject_cast( )函数功能类似标准C++的dynamic_cast( )。当然qobject_cast( )的优势在于不需要编译器支持TTTI，而且跨动态链接库之间的转换也是可行的。简单地说，原本是派生类的对象指针，就可以转为基类对象指针来用（转换得到可用值），其他情况都会得到NULL指针。比如：
MyWidget是QWidget的派生类，并且类声明带有Q_OBJECT宏，新建一个对象：
QObject *obj = new MyWidget；
虽然obj是一个QObject *，但是它本质上是一个MyWidget对象指针，可以转成基类指针：
QWidget *widget = qobject_cast<QWidget *>(obj);
但是如果将MyWidget对象指针转成其他无关的类对象指针，就会失败：
QLabel *label = qobject_cast<QWidget *>(obj);
关于元对象系统的介绍就是这些，实现元对象系统的内幕代码在后面给出。
2、信号和槽
下面举例说明什么是信号和槽，比如叫外卖：
- 比如到午饭时间了，某宅男饿了——由不饿到饿，是一个状态的变化，肚子饿了就相当于是一个信号。谁都会饿的，每个人都可以发这类信号。注意信号只是一个空想，没东西吃是填不饱肚子的。饿了怎么办，准备叫外卖。
- 街上餐馆很多，都希望多做点生意，送外卖也是常事——做好饭送外卖就是槽函数。这个送外卖功能，餐馆一般都是有的，但谁来买送给谁，这个暂时定不了。如果餐馆饭做得好，但没人吃那也是不行的。
- 食客饿了（信号），餐馆有送饭服务（槽函数），二者怎么沟通呢？通常我们都是打电话，Qt 把这个过程叫信号和槽的关联（connect）。虽然我们每次叫外卖都要拨一长串号码，但 Qt 关联比我们打电话方便，它只需要将信号关联具体某家餐馆外卖服务一次，以后都是自动拨号的。Qt 对象的信号和槽关联好之后，源头只需要发个信号，叫一声“我饿了”，connect 函数会自动拨号，餐馆立刻就送餐过来。
信号和槽函数在进行关联的时候，二者的参数需要一致，不能我叫西红柿鸡蛋的盖浇饭，餐馆给送兰州拉面，那是不行的。多个对象的信号和槽函数在参数匹配的情况下，它们之间的关联可以是一对一，一对多（某吃货可以同时叫多个餐馆的饭），多对一（多个人可以同时订某家餐馆的饭），所以关联是比较自由的。本节只看简单的一对一关联。
3、按钮弹窗示例
本小节示例效果是这样的：按一下窗体里的按钮，发个信号“我饿了”，然后自动弹出个消息框，显示“叮咚！外卖已送达”。下面我们打开Qt Creator，新建一个 Qt Widgets Application 项目，按步骤填：
①项目名称设置为 hungry，创建路径如 E:QtProjectsch04，点击“下一步”；
②Kit Selection 里面选中 Select all kits，点击“下一步”；
③基类选择 QWidget，然后其他名字就用自动填的，点击“下一步”；
④项目管理界面不修改，直接点“完成”。
然后看到 Qt Creator 编辑模式里的 hungry 项目，我们打开 widget.ui，在 QtCreator 设计模式，拖一个“Push Button”到窗体中间位置，并修改该 pushButton 对象的 text 属性为：我饿了。看到类似如下图所示：
编辑好后按 Ctrl+S 保存，然后关闭 widget.ui 。窗体里的控件对象 pushButton 对象自己带有 clicked 信号，当我们用鼠标点击按钮时，clicked信号自动触发，所以不需要我们定义新的信号。使用按钮自己的信号就够用了，现在信号就已经有了，我们完成了叫外卖的第一步。
回到代码编辑模式，打开头文件 widget.h ，向其中添加槽函数声明，下面把该头文件内容完整贴出来：
#ifndef WIDGET_H #define WIDGET_H #include <QWidget> namespace Ui { class Widget; } class Widget : public QWidget { Q_OBJECT public: explicit Widget(QWidget *parent = 0); ~Widget(); //添加这一段代码 public slots: //槽函数声明标志 void FoodIsComing(); //槽函数 private: Ui::Widget *ui; }; #endif // WIDGET_H
Qt 的关键字 slots 就是槽函数声明段落的标志，槽函数声明段落可以是 private、protected 或者 public类型的，这些访问权限和继承权限与普通成员函数是一样的，上面示范的是公有槽函数。除了声明段落标志不一样，槽函数与普通成员函数其他情况都是一样的，也可以作为普通成员函数来调用，当然也必须有函数定义的实体代码，头文件里仅仅是声明。我们打开 widget.cpp 文件，添加头文件包含 和 槽函数定义代码：
#include "widget.h" #include "ui_widget.h" #include <QMessageBox> Widget::Widget(QWidget *parent) : QWidget(parent), ui(new Ui::Widget) { ui->setupUi(this); } Widget::~Widget() { delete ui; } //槽函数定义代码，与普通成员函数类似 void Widget::FoodIsComing() { QMessageBox::information(this,tr("送餐"),tr("叮咚！外卖已送达")); }
在槽函数定义代码部分，FoodIsComing 函数与普通成员函数没区别，只有在头文件才能看到它是不是在槽函数声明段落。新包含的头文件 <QMessageBox> 是声明了用于弹消息框的类。QMessageBox 类可以按照常规定义对象方式使用，如：
QMessageBox msgBox; msgBox.setWindowTitle("Take out") msgBox.setText("Food is coming."); msgBox.exec();
setWindowTitle 函数是设置消息框标题，setText 是设置要显示的消息。exec 函数是指模态显示，消息框会弹出并显示在最上层，如果不关闭该消息框，就不会回到正常界面。
常规方式需要上面四句代码，而这类消息框内容格式相对单调，是可以做成预定义的消息框供程序员直接调用的。QMessageBox类提供了静态公有函数，里面预定义好了现成的消息框，只需要把参数传给它，就会自动弹窗。我们的FoodIsComing函数里使用的就是静态函数QmessageBox::information，它的声明如下：
StandardButton QMessageBox::information(QWidget *parent,const QString &title,const QString &text,StandardButtons buttons = Ok,StandardButton defaultButton = NoButton)
StandardButton是Qt预定义的按钮类型枚举，比如QMessageBox::Ok、QMessageBox::Cancel等等，可以我去诶消息框添加这些按钮，并且返回按钮枚举值。我们这里只使用了头三个参数：父窗口指针、消息框标题、消息框内容。后面的buttons参数可以为消息框添加额外按钮，defaultButton是指默认按钮，我们暂时用不着，先不管这些。返回值就是按钮类型的枚举值，可以获知用户是点击哪个按钮使消息框关闭的。
FoodIsComing槽函数的声明和定义都按照上面写好后，我们就完成叫外卖的第二步。
下面第三步是将pushButton的信号clicked（即“我饿了”）与主窗口的槽函数FoodIsComing关联起来，实现自动拨号叫外卖。Qt通过QObject::connect函数完成信号和槽函数的关联，因为主窗口最顶层的基类是QObject，所以我们下面的代码不需要加QObject::前缀。我们向widget.cpp文件构造函数里新增依据关联代码，完整的widget.cpp代码如下：
#include "widget.h" #include "ui_widget.h" #include <QMessageBox> Widget::Widget(QWidget *parent) : QWidget(parent), ui(new Ui::Widget) { ui->setupUi(this); //添加关联代码，必须放在setupUi函数之后 connect(ui->pushButton,SIGNAL(clicked()),this,SLOT(FoodIsComing())); } Widget::~Widget() { delete ui; } //槽函数定义代码，与普通成员函数类似 void Widget::FoodIsComing() { QMessageBox::information(this,tr("送餐"),tr("叮咚！外卖已送达")); }
connect 函数第一个参数是发信号的源头对象指针，按钮对象的指针就是 ui->pushButton，ui 是为窗体构建界面的辅助类对象指针，我们在窗体设计界面拖的控件对象都存在这个 ui 指向的对象里。ui->pushButton就指向我们之前拖的按钮对象。因为通过设计模式拖的控件全部是以指针类型访问的，所以以后说到窗体里的控件，一般都是说它的指针名字。
第二个参数用 SIGNAL 宏包裹，里面是按钮对象的信号 clicked() ，信号的声明和成员函数类似，但必须放在 signals 声明段落。上面没看到 signals 声明段落是因为 QPushButton 类的对象自带这个信号，不需要我们来定义。
第三个参数是接收对象的指针，也就是服务提供方，是槽函数所在对象的指针，我们上面用的 this 指针就是主窗体自己。
第四个参数是接收对象里的槽函数，并用 SLOT 宏封装起来。
connect函数意义是非常清晰的，将源头和源头的信号，关联到接收端和接收端的槽函数。注意源头和接收端必须是存在的实体对象指针，不能是野指针。connect函数必须放在 ui->setupUi 之后，否则控件指针是未定义的野指针，那种关联必然失败，会导致程序崩溃。
编写 connect 函数代码的时候，对于第二个参数，我们敲好 “SIGNAL(” 字样的时候，编辑器会自动提示源头对象有哪些信号，这很方便：
也可以通过Qt的帮助文档查询QPushButton的资料。
对于第四个槽函数宏，也是类似的提示效果：
FoodIsComing 槽函数就是我们自己写的，也在自动提示列表之内，其他的槽函数可以查 QWidget 类的帮助文档。编写 connect函数的时候，需要注意括号嵌套的层数，因为括号比较多，如果末尾少了右括号，要注意补。
写好 connect 函数代码之后，叫外卖的第三步就完成了。我们点击 Qt Creator 左下角运行按钮，查看运行效果，并点击窗体的按钮测试一下：
点击一下“我饿了”按钮，消息框自动就弹出来。整个流程就是按钮发一个 clicked 信号，connect 将该信号关联了主窗体的FoodIsComing 槽函数，这个槽函数实现弹窗。信号和槽机制往简单了说就是上面三板斧。信号本身是个空想，它自己不干活的，真正干活的是槽函数，槽函数完整功能并提供服务，信号和槽通过 connect 关联，只需要关联一次，以后都会自动工作。
4、按钮弹窗自动关联示例
这里的自动关联是指不需要手动编写connect函数，通过自动命名槽函数的方式来编写代码。自动关联的要求是槽函数根据源头的对象名（指针）和其信号名称来命名，元对象系统可以实现剩下的自动connect功能。这对窗体设计是一种便利，如果我们窗体里拖了10个按钮，手动编写connect函数的话，就需要编写10个connect函数调用，比较麻烦。通过自动关联方式，这些connect函数代码全部可以省略了。我们只需要关注如何实现槽函数的功能即可。下面我们新建一个自动关联的项目，我们重新打开Qt Creator，点击菜单“文件”—>“新建文件或项目”，建立一个Qt Widgets Application，按步骤：
①项目名称填写 autoconn，创建路径 E:QtProjectsch04，点击“下一步”；
②Kit Selection 界面选中 Select all kits，点击“下一步”；
③类信息界面，基类选择 QWidget，其他的用自动命名的，点击“下一步”；
④项目管理界面不修改，点击“完成”。
在编辑模式，项目视图里打开界面文件 widget.ui ，进入图形界面设计模式，类似地拖一个按钮放到窗体中间，这次我们修改按钮的两个属性，将按钮对象的 objectName 设置为 hungryButton，将 text 属性设置为：我饿了。如图所示：
objectName 就是对象名称属性，设置为 hungryButton 之后，实际代码里对应的就是 ui->hungryButton 按钮指针。
编辑好属性之后，我们开始使用自动关联槽函数的方法，右击 hungryButton 按钮，点击右键菜单里的“转到槽 ...”，
会出现根据信号来定义槽函数的界面：
信号列表里面，第一列是信号的名称，第二列是该对象所属的类或基类名称，QPushButton 不仅有自己的信号，还拥有它的基类 QAbstractButton、再上层基类 QWidget、顶层基类 QObject 等定义的信号。（注意信号可以有各种参数，但不能有返回值，也就是说必须返回 void 类型。）选择第一个 clicked() 信号，然后点击 OK 。这样就自动添加了槽函数的声明和它的定义代码底板，QtCreator 会自动跳转到 widget.cpp 的 void Widget::on_hungryButton_clicked() 函数定义处：
Qt Creator 会自动添加槽函数，并且跳转到槽函数定义位置，方便程序员编辑。由于是自动关联的，这个槽函数名称也是自动生成的，这时候不要修改这个函数的名称，也不要改按钮的对象名称，这样才能保证自动关联有效。然后就可以在该槽函数里面添加我们需要的代码，修改之后，widget.cpp 完整内容如下：
#include "widget.h" #include "ui_widget.h" #include <QMessageBox> Widget::Widget(QWidget *parent) : QWidget(parent), ui(new Ui::Widget) { ui->setupUi(this); } Widget::~Widget() { delete ui; } void Widget::on_hungryButton_clicked() { QMessageBox::information(this, tr("送餐"), tr("叮咚！外卖已送达")); }
Widget 构造函数里没有 connect 函数调用，因为不需要了，就是这么简单。
widget.h 里面有 on_hungryButton_clicked 函数的声明，也是 Qt Creator 自动添加的，不需要修改，这里只是把widget.h 代码贴出来给大家看看：
#ifndef WIDGET_H #define WIDGET_H #include <QWidget> namespace Ui { class Widget; } class Widget : public QWidget { Q_OBJECT public: explicit Widget(QWidget *parent = 0); ~Widget(); private slots: void on_hungryButton_clicked(); private: Ui::Widget *ui; }; #endif // WIDGET_H
Qt Creator 自动添加的槽函数声明是 private slots，这个私有槽函数也是可以正常运行的，主要是访问权限和继承权限与 public 类型不一样，其他的功能是相同的。
有 Qt Creator 自动生成的槽函数，就有了自动关联，我们实际只变了两行代码，就是开头的 #include <QMessageBox>和槽函数里的一句弹消息框。自动关联的方式大大简化了我们需要做的工作。现在我们只需要点击 Qt Creator 左下角的运行按钮就够了：
这里有一个疑问，没有手动关联的 connect 函数，信号和槽它们怎么工作的呢？
诀窍有两条，第一个是槽函数命名非常非常严格，必须按照如下规则来写：
void on_<object name>_<signal name>(<signal parameters>);
必须以 on_ 打头，接下来是对象名，对应例子的 hungryButton，再接一个下划线，最后是信号名和信号可能的参数。
上面示例的槽函数自动命名就是：
void on_hungryButton_clicked();
按照规则命名是第一步。
第二步是由uic和moc等工具自动完成的，在E:QtProjectsch04uild-autoconn-Desktop_Qt_5_5_1MinGW_32bit-Debug文件夹里可以找到ui_widget.h，最关键的就是setupUi函数末尾一句：
void setupUi(QWidget *Widget) { if (Widget->objectName().isEmpty()) Widget->setObjectName(QStringLiteral("Widget")); Widget->resize(400, 300); hungryButton = new QPushButton(Widget); hungryButton->setObjectName(QStringLiteral("hungryButton")); hungryButton->setGeometry(QRect(140, 100, 75, 23)); retranslateUi(Widget); QMetaObject::connectSlotsByName(Widget); } // setupUi
connectSlotsByName 就是完成自动关联的函数，这是元对象系统包含的功能，根据对象名、信号名与 on_<object name>_<signal name>(<signal parameters>) 槽函数进行自动匹配关联，可以给程序员提供便利，省了许多 connect 函数调用的代码。后面会详细讲这些代码，这里只要先掌握自动关联大法就够了。
5、关联函数的语法格式
尽管Qt有比较好的自动关联大法，但自动关联不是万能的，尤其是涉及到多个窗体的时候，比如A窗体私有按钮控件与B窗体私有消息框函数，这个因为权限限制，不是想自动关联就可以自动关联的。自动关联一般用于一个窗体之内的控件关联，其他很多情况都是需要手动编写connect函数的，所以学习connect函数的语法句式是必须的。
上面展示的connect关联是传统语法句式，如：
connect(ui->pushButton, SIGNAL(clicked()), this, SLOT(FoodIsComing()));
头两个参数是源头对象和信号，后两个参数接收对象和槽函数，这个其实是 Qt4 和之前版本一直存在的句式，在 Qt5 中也是好使的，这种句式可读性很好，信号和槽的标识也很清晰。这种关联方式其实是旧式语法，它的函数声明为：
QMetaObject::Connection QObject::connect(const QObject * sender, const char * signal, const QObject * receiver, const char * method, Qt::ConnectionType type = Qt::AutoConnection)
connect 函数返回类型是 QMetaObject::Connection ，可以用于运行时判断关联是否正确，或者用于解除关联。注意到 connect 函数参数里的 signal 和 method（槽函数）都是 char * 字符串类型，所以旧式语法的 connect 函数是根据信号和槽函数的字符串名称来关联的，不具备编译时类型检查，大家都是字符串，参数类型在编译时都不知道。关联出错只有在运行时才会体现。
最后的关联类型参数一般我们都使用默认值 Qt::AutoConnection，这在多线程编程的时候才会有讲究。对于单线程的，关联一般用直连类型（Qt::DirectConnection），信号一触发， 对应槽函数立即就被调用执行；对于多线程程序，跨线程的关联一般用入队关联（Qt::QueuedConnection），信号触发后，跨线程的槽函数被加入事件处理队列里面执行，避免干扰接收线程里的执行流程。Qt::AutoConnection 会自动根据源头对象和接收对象所属的线程来处理，默认都用这种类型的关联，对于多线程程序这种关联也是安全的。
Qt5 为了能够尽早检查关联类型和参数的匹配情况，引入了新的函数指针关联语法，这样在程序编译时就能发现关联正确与否。新式语法格式如下：
QMetaObject::Connection QObject::connect(const QObject * sender, PointerToMemberFunction signal, const QObject * receiver, PointerToMemberFunction method, Qt::ConnectionType type = Qt::AutoConnection)
与旧语法句式区别就在于 signal 和 method （槽函数），新句式用的是 PointerToMemberFunction ，这个类型名称是不存在的，只是在文档里面显示，方便程序员看的，实际使用的是模板函数。具体模板函数定义比较复杂，比较关键的就是两个函数参数类型需要一致，或者信号声明时的参数更多更广。因为信号本身是不干活的，它多点参数无所谓，但必须保证槽函数运行时需要的参数是一定有的。
新的语法句式应用到第一个例子就是如下面这样：
connect(ui->pushButton, &QPushButton::clicked, this, &Widget::FoodIsComing);
这里第二个位置是一个函数指针形式，第四个位置也是一个函数指针形式，信号里声明的参数和槽函数声明是一致的，所以关联是匹配的。
最后提醒一下，不管使用旧句式，还是新句式，关联的源头和接收端一定是实际存在的对象，ui->pushButton 这个按钮对象成功创建之后，上面的关联才能正常执行。虽然新句式可以用 &QPushButton::clicked 这个函数指针形式，但注意第一个和第三个参数是实际的对象，这是把源头对象关联到接收端对象，而不是把类关联到类！如果没有定义对象实体，关联函数就没意义。