Qt“灵魂”之Meta-Object系统

一、Meta-Object简介

Meta-Object即是Qt的元对象系统，下文都以元对象系统进行描述。在Qt中，具有标志性特征的则是信号和槽函数机制，该机制的背后实现本质上则是元对象系统。编写Qt代码的时候，在定义类的时候，需要放置一个Q_OBJECT，为什么呢？后文会描述到，例如如下代码：

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Q_OBJECT本质上是一个宏定义，在进行Qt开发时，所有QObject的派生类都推荐在头文件中放置Q_OBJECT宏定义，该宏定义如下（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，元对象系统包含了支持元对象系统的程序，宏定义，基类，接口函数。这些东西共同构成了Qt的元对象系统：

（1）QObject为想要使用元对象系统的对象提供了基类。

（2）Q_OBJECT宏用于启动元对象特性，例如：动态属性、信号和槽函数机制等。

（3）元对象编译器（moc）为每个QObject子类生成实现元对象特性所需要的代码。

在实际Qt程序设计中，在派生自QObject的类定义中加上Q_OBJECT后，则可以使用元对象系统所支持的特性了。

二、元对象系统背后机制

如果在派生自QObject的类定义中加上了Q_OBJECT后，在编译构建过程中，元对象系统的moc工具（本文以Windows平台为例，该工具则位于具体Qt版本目录下的bin目录中）

在Windows命令行下运行，可获知如下信息：

在QtCreator集成开发环境中，当点击构建按钮后，QtCreator会自动调用moc工具，该工具会读取一个C++源文件，如果它发现一个或多个包含Q_OBJECT宏的类声明，那么则会生成另外一个C++源文件，源文件中包含每个类的元对象代码。接着，生成的源文件要么被#include包含到类的源文件中，要么被编译并链接到类的实现中。例如下列一个简单的项目工程，源码结构如下：

从上图可知，工程中包含了一个main.cpp、一个主窗口描述文件mainwindow.cpp/.h、一个stylesheeteditor.cpp/.h文件，由于mainwindow.cpp/.h、stylesheeteditor.cpp/.h支持Qt的元对象系统，在编译构建过程中，则会生成支持元对象系统的中间文件，如下图所示：

从上图可知，这些文件都以moc_xxx方式进行命名，最后结合其他的文件生成了程序可执行体（stylesheet.exe），整个过程可如下图所示（Windows平台）：

三、再谈元对象系统

除了提供对象之间通信的信号和槽函数机制（这是引入该系统的主要原因），元对象系统还提供以下的功能：

（1）Object::metaObject()：返回类的关联元对象。

（2）QMetaObject::className()：在运行时以字符串的形式返回类名，而不需要通过C++编译器提供本地运行时类型信息(RTTI)支持。

（3）QObject::inherits()：函数返回一个对象是否是在QObject继承树中继承指定类实例。

（4）QObject::tr()和QObject::trUtf8()为国际化翻译字符串。

（5）QObject::setProperty()和QObject::property()根据名称动态设置和获取属性。

（6）QMetaObject::newInstance()：构造类的新实例。

除了上述所列的功能，还可以使用qobject_cast()对QObject类执行动态强制类型转换，qobject_cast()函数的行为类似于标准C++ 的dynamic_cast()，它的优点是不需要RTTI支持，并且可以跨动态库工作。该函数尝试将其参数转换为尖括号中指定的指针类型，如果对象的类型正确（在运行时确定），则返回非零指针；如果对象的类型不兼容，则返回nullptr。

例如，假设有一个MyWidget继承自QWidget，并使用了Q_OBJECT宏声明，然后使用new创建该实例：

QObject*obj=newMyWidget;

类型为QObject *的obj变量实际上引用了一个MyWidget对象，所以我们可以对它进行适当的类型转换，如下代码：

QWidget*widget=qobject_cast(obj);

从QObject到QWidget的转换是成功的，因为该对象实际上是一个MyWidget，它是QWidget的一个子类。既然知道obj是一个MyWidget，我们也可以将它cast到MyWidget *，如下代码：

MyWidget*myWidget=qobject_cast(obj);

上述代码对MyWidget的转换是也成功的，因为qobject_cast()在内置Qt类型和自定义类型之间没有区别。

然而对于下列代码：

QLabel*label=qobject_cast(obj);

对QLabel的强制转换将失败，会将指针设置为0。因此可以在运行时处理不同类型的对象，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"));
}

上述代码使用qobject_case()对obj进行了向QLabel和QPushButton的强制转换，如果转换成功，则设置对应的显示文本。

四、小生总结

在实际Qt开发过程中，虽然可以在没有Q_OBJECT宏和元对象代码的情况下将QObject作为基类，但如果没有使用Q_OBJECT宏，则信号和槽函数机制或在本文中描述的其他特性都不能使用。从元对象系统的角度来看，一个没有元代码的QObject子类等价于它最近的有元对象代码的祖先。这意味着，例如，QMetaObject::className()将不会返回自己类的实际名称，而是这个祖先的类名称。

因此，在实际Qt开发过程中，无论实际上是否使用了信号和槽函数机制，都强烈建议QObject的所有子类都使用Q_OBJECT宏。

审核编辑：汤梓红