Qt五大核心特性之元对象系统

前言

Qt 的元对象系统（Meta-Object System）是 Qt 框架的核心之一，提供了一些 C++ 原生不具备的功能(因为在C++它们是静态的)，如反射、信号槽机制、属性系统等。通过这个系统，Qt 实现了许多强大的功能，这使得它成为一个更易于使用和扩展的框架。

正文

元对象系统

1. 元对象系统的组成部分

1.1 Q_OBJECT 宏

Q_OBJECT 是元对象系统的入口。任何需要使用元对象系统功能的类都必须包含这个宏。
它通常放在类的私有部分的顶部，并由 Qt 的元对象编译器（moc）处理，生成与类相关的元数据和代码。

class MyClass : public QObject {Q_OBJECTpublic:MyClass(QObject *parent = nullptr) : QObject(parent) {}signals:void mySignal();public slots:void mySlot();
};

1.2 QMetaObject

元对象QMetaObject 是用于描述另一个对象结构的对象，它提供了关于 QObject 类及其子类的元数据（如类名、信号、槽、属性等）。
可以通过调用 QObject::metaObject() 来获取与对象相关的元对象。

const QMetaObject *meta = myObject->metaObject();
qDebug() << "Class name:" << meta->className();

1.3 信号和槽（Signals and Slots）

信号槽机制是 Qt 中的核心通信方式。信号（signal）是用来发出事件通知的，而槽（slot）是用来处理这些事件的。
signals: 和 slots: 关键字标识了类中的信号和槽函数，信号槽的连接可以在编译时或运行时完成。

QObject::connect(sender, &SenderClass::signalName, receiver, &ReceiverClass::slotName);

1.4 属性系统（Property System）

属性系统使得可以通过字符串名称访问和操作对象的属性，这在 QML 和动画系统中尤其有用。
使用 Q_PROPERTY 宏来定义属性。

class MyClass : public QObject {Q_OBJECT// 意思是value通过setValue这个函数来更新/设置这个值，在更新后发出通知信号valueChanged(int)     // 当属性值发生改变时，这个信号会被发出，通知所有连接到该信号的槽函数Q_PROPERTY(int value READ value WRITE setValue NOTIFY valueChanged)public:int value() const { return m_value; }void setValue(int value) {if (m_value == value)return;m_value = value;emit valueChanged(m_value);}signals:void valueChanged(int newValue);private:int m_value;
};

1.5 QMetaObject::invokeMethod

可以在运行时使用 QMetaObject::invokeMethod() 来调用对象的槽函数或其它成员函数。

MyClass obj;
QMetaObject::invokeMethod(&obj, "mySlot");

2. 元对象编译器（moc）

Qt 的元对象编译器 moc 是解析带有 Q_OBJECT 宏的文件。moc 若发现一个或多个包含了 Q_OBJECT 宏的类的声明，则会生成另外一个包含了Q_OBJECT 宏实现代码的 C++源文件(该源文件通常名称为 moc_*.cpp) ，这个新的源文件要么被#include 包含到类的源文件中，要么被编译键接到类的实现中(通常是使用的此种方法)。注意：新文件不会“替换”掉旧的文件，而是与原文件一起编译

moc主要做了一下工作

生成一个静态的元对象实例，该实例包含类的元信息。
为每个信号生成一个函数，该函数可以发射该信号。
为类生成一个静态的成员函数，该函数可以返回静态的元对象实例。

3.反射机制

反射（Reflection）指的是程序在运行时检查和操作自身结构的能力。C++ （C++17好像支持，但是和Qt中的不同）本身不支持反射，但 Qt 通过元对象系统提供了一定程度的反射能力。这种能力主要体现在以下几个方面：

动态类型信息：
- 使用 QObject::metaObject() 可以在运行时获取与类相关的元数据（如类名、信号、槽、属性等）。
动态属性访问：
- 通过 QObject::setProperty() 和 QObject::property() 方法，可以通过字符串名称在运行时访问和修改对象的属性。
信号与槽的动态连接：
- 使用 QObject::connect() 函数，可以在运行时通过字符串名称来动态连接信号和槽。这使得信号和槽的连接可以在运行时根据条件来建立或改变。
动态对象创建：
- 使用 QMetaObject::newInstance() 可以在运行时根据类的元对象创建新的对象实例（前提是类中有符合条件的构造函数）。

Qt 的元对象系统通过元对象编译器（moc）生成附加的代码，允许在运行时获取类的元数据，并使用这些元数据实现类似反射的功能。这种机制在实现动态特性、插件系统和QML绑定等功能时非常有用。

4. 元对象系统的使用

元对象系统的使用需要满足三个条件

该类必须继承自QObject或者继承自继承QObject类的子类
该类在声明Q_OBJECT这个宏时，必须在私有区域进行声明
元对象编译器（moc）为每个QObject的子类，提供了实现员特性所必须的代码

`MyClass.h`

#ifndef MYCLASS_H
#define MYCLASS_H#include <QObject>
#include <QDebug>// MyClass 是一个示例类，展示了 Qt 元对象系统的使用
class MyClass : public QObject {Q_OBJECT// 定义一个属性 "value"，可以通过 getter (value) 和 setter (setValue) 访问，// 当属性值发生变化时发出信号 valueChangedQ_PROPERTY(int value READ value WRITE setValue NOTIFY valueChanged)public:explicit MyClass(QObject *parent = nullptr);// 属性的 getter 函数int value() const;// 属性的 setter 函数void setValue(int newValue);signals:// 当属性值发生变化时发出的信号void valueChanged(int newValue);public slots:// 一个槽函数，用于打印当前属性值void printValue();private:int m_value; // 用于存储属性值的成员变量
};#endif // MYCLASS_H

`MyClass.cpp`

#include "MyClass.h"// 构造函数，初始化属性值为 0
MyClass::MyClass(QObject *parent) : QObject(parent), m_value(0) {}// getter 函数，返回当前的属性值
int MyClass::value() const {return m_value;
}// setter 函数，设置属性值，并发出 valueChanged 信号（如果值发生变化）
void MyClass::setValue(int newValue) {if (m_value != newValue) {m_value = newValue;emit valueChanged(m_value);}
}// 槽函数，打印当前属性值
void MyClass::printValue() {qDebug() << "The value is:" << m_value;
}

`main.cpp`

#include <QCoreApplication>
#include <QMetaObject>
#include <QMetaProperty>
#include <QMetaMethod>
#include "MyClass.h"int main(int argc, char *argv[]) {QCoreApplication a(argc, argv);// 动态创建 MyClass 对象QObject *obj = QMetaObject::newInstance(MyClass::staticMetaObject);// 检查对象是否创建成功if (!obj) {qDebug() << "Failed to create the object!";return -1;}// 获取对象的元对象信息const QMetaObject *metaObj = obj->metaObject();qDebug() << "Class Name:" << metaObj->className();// 动态访问和修改属性int propertyIndex = metaObj->indexOfProperty("value");if (propertyIndex != -1) {obj->setProperty("value", 42);  // 设置属性值qDebug() << "Property 'value':" << obj->property("value").toInt(); // 获取属性值}// 动态连接信号和槽int signalIndex = metaObj->indexOfSignal("valueChanged(int)");int slotIndex = metaObj->indexOfSlot("printValue()");if (signalIndex != -1 && slotIndex != -1) {QMetaObject::connect(obj, signalIndex, obj, slotIndex);}// 修改属性值，这将触发 valueChanged 信号，并调用 printValue 槽函数obj->setProperty("value", 100);// 清理动态创建的对象delete obj;return a.exec();
}

代码解释

`MyClass.h`

Q_OBJECT: 必须放在类的定义中，用于启用 Qt 的元对象系统。
Q_PROPERTY(int value READ value WRITE setValue NOTIFY valueChanged): 定义一个名为 value 的属性，指定了 getter (value)、setter (setValue) 和属性变化时发出的信号 (valueChanged)。
signals:: 定义信号 valueChanged，当 value 属性发生变化时发出。
public slots:: 定义槽函数 printValue，用于打印属性值。

`MyClass.cpp`

MyClass::MyClass(QObject *parent): 构造函数，初始化 m_value 为 0。
value(): 返回当前的 m_value。
setValue(int newValue): 设置 m_value 的值，并在值发生变化时发出 valueChanged 信号。
printValue(): 打印当前的 m_value。

`main.cpp`

QMetaObject::newInstance(MyClass::staticMetaObject): 动态创建 MyClass 的实例。MyClass::staticMetaObject 提供了类的元对象信息。
metaObject()->className(): 获取并打印类名。
metaObject()->indexOfProperty("value"): 获取属性 value 的索引。通过索引动态设置和获取属性值。
QMetaObject::connect(): 动态连接信号 valueChanged(int) 和槽 printValue()。
obj->setProperty("value", 100): 修改属性值，触发 valueChanged 信号，进而调用 printValue 槽函数。