Qt“靈魂”之Meta-Object系統

一、Meta-Object簡介

Meta-Object即是Qt的元對象系統，下文都以元對象系統進行描述。在Qt中，具有標志性特征的則是信號和槽函數機制，該機制的背后實現本質上則是元對象系統。編寫Qt代碼的時候，在定義類的時候，需要放置一個Q_OBJECT，為什么呢？后文會描述到，例如如下代碼：

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Q_OBJECT本質上是一個宏定義，在進行Qt開發時，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，元對象系統包含了支持元對象系統的程序，宏定義，基類，接口函數。這些東西共同構成了Qt的元對象系統：

（1）QObject為想要使用元對象系統的對象提供了基類。

（2）Q_OBJECT宏用于啟動元對象特性，例如：動態屬性、信號和槽函數機制等。

（3）元對象編譯器（moc）為每個QObject子類生成實現元對象特性所需要的代碼。

在實際Qt程序設計中，在派生自QObject的類定義中加上Q_OBJECT后，則可以使用元對象系統所支持的特性了。

二、元對象系統背后機制

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

在Windows命令行下運行，可獲知如下信息：

在QtCreator集成開發環境中，當點擊構建按鈕后，QtCreator會自動調用moc工具，該工具會讀取一個C++源文件，如果它發現一個或多個包含Q_OBJECT宏的類聲明，那么則會生成另外一個C++源文件，源文件中包含每個類的元對象代碼。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現中。例如下列一個簡單的項目工程，源碼結構如下：

從上圖可知，工程中包含了一個main.cpp、一個主窗口描述文件mainwindow.cpp/.h、一個stylesheeteditor.cpp/.h文件，由于mainwindow.cpp/.h、stylesheeteditor.cpp/.h支持Qt的元對象系統，在編譯構建過程中，則會生成支持元對象系統的中間文件，如下圖所示：

從上圖可知，這些文件都以moc_xxx方式進行命名，最后結合其他的文件生成了程序可執行體（stylesheet.exe），整個過程可如下圖所示（Windows平臺）：

三、再談元對象系統

除了提供對象之間通信的信號和槽函數機制（這是引入該系統的主要原因），元對象系統還提供以下的功能：

（1）Object::metaObject()：返回類的關聯元對象。

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

（3）QObject::inherits()：函數返回一個對象是否是在QObject繼承樹中繼承指定類實例。

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

（5）QObject::setProperty()和QObject::property()根據名稱動態設置和獲取屬性。

（6）QMetaObject::newInstance()：構造類的新實例。

除了上述所列的功能，還可以使用qobject_cast()對QObject類執行動態強制類型轉換，qobject_cast()函數的行為類似于標準C++ 的dynamic_cast()，它的優點是不需要RTTI支持，并且可以跨動態庫工作。該函數嘗試將其參數轉換為尖括號中指定的指針類型，如果對象的類型正確（在運行時確定），則返回非零指針；如果對象的類型不兼容，則返回nullptr。

例如，假設有一個MyWidget繼承自QWidget，并使用了Q_OBJECT宏聲明，然后使用new創建該實例：

QObject*obj=newMyWidget;

類型為QObject *的obj變量實際上引用了一個MyWidget對象，所以我們可以對它進行適當的類型轉換，如下代碼：

QWidget*widget=qobject_cast(obj);

從QObject到QWidget的轉換是成功的，因為該對象實際上是一個MyWidget，它是QWidget的一個子類。既然知道obj是一個MyWidget，我們也可以將它cast到MyWidget *，如下代碼：

MyWidget*myWidget=qobject_cast(obj);

上述代碼對MyWidget的轉換是也成功的，因為qobject_cast()在內置Qt類型和自定義類型之間沒有區別。

然而對于下列代碼：

QLabel*label=qobject_cast(obj);

對QLabel的強制轉換將失敗，會將指針設置為0。因此可以在運行時處理不同類型的對象，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obj進行了向QLabel和QPushButton的強制轉換，如果轉換成功，則設置對應的顯示文本。

四、小生總結

在實際Qt開發過程中，雖然可以在沒有Q_OBJECT宏和元對象代碼的情況下將QObject作為基類，但如果沒有使用Q_OBJECT宏，則信號和槽函數機制或在本文中描述的其他特性都不能使用。從元對象系統的角度來看，一個沒有元代碼的QObject子類等價于它最近的有元對象代碼的祖先。這意味著，例如，QMetaObject::className()將不會返回自己類的實際名稱，而是這個祖先的類名稱。

因此，在實際Qt開發過程中，無論實際上是否使用了信號和槽函數機制，都強烈建議QObject的所有子類都使用Q_OBJECT宏。

審核編輯：湯梓紅