作者：曹羣
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引言：
Qt 是一個1991年由Qt Company開發的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架。它既可以開發GUI程序，也可用於開發非GUI程序，比如控制檯工具和服務器。Qt是面向對象的框架，使用特殊的代碼生成擴展（稱爲元對象編譯器(Meta Object Compiler, moc)）以及一些宏，Qt很容易擴展，並且允許真正地組件編程。Qt是跨平臺開發框架，支持Windows、Linux、MacOS等不同平臺；Qt有大量的開發文檔和豐富的API，給開發者帶來了很大的方便；Qt的使用者也越來越多，有很多優秀的產品都基於Qt開發，如：WPS Offic 、Opera瀏覽器、Qt Creator等。Qt的核心機制就是信號和槽，接下來我們通過源代碼分析一下實現原理。
基本概念：
信號：當對象改變其狀態時，信號就由該對象發射 (emit) 出去，而且對象只負責發送信號，它不知道另一端是誰在接收這個信號。
槽：用於接收信號，而且槽只是普通的對象成員函數。一個槽並不知道是否有任何信號與自己相連接。
信號與槽的連接：所有從 QObject 或其子類 ( 例如 QWidget ) 派生的類都能夠包含信號和槽。是通過靜態方法：QObject::connect(sender, SIGNAL(signal), receiver, SLOT(slot)); 來進行管理的，其中 sender 與 receiver 是指向對象的指針，SIGNAL() 與 SLOT() 是轉換信號與槽的宏。
實現原理：
1、首先我們搭建好環境，如在Windows系統上：安裝Qt5.7（包括源碼） + VS2013 及 對應的插件，我們主要是通過VS來進行編譯調試的。
2、我們寫一個簡單實例，然後進行構建，再把Qt安裝目錄中的QtCored的pdb拷貝到我們的可執行文件目錄下面，如下圖所示：
下面是我們要分析的Demo代碼：
// MainWindow.h
// MainWindow.cpp
我們可以創建一個Qt工程，名稱爲Demo，編寫上面的代碼，進行構建，在VS下可以把Qt工程導成VS工程，編譯生成，運行結果如下：
點擊中間的按鈕，我們可以看到控制檯打印如下信息：
第一步：基本結構：
我們分析代碼，可以看到在頭文件Test和MainWindow類中，都有Q_OBJECT這樣的宏，然後我們可以看到上面的可執行文件夾下多出來一個moc_MainWindow.cpp文件，那麼我們可以嘗試把這兩個宏去掉，再進行構建，發現加上了信號和槽的就無法編譯過去，我們去掉這些信號和槽後，就不會生成moc開頭的這個文件了，當然我們就無法實現信號和槽機了，那麼這個宏到底是什麼，有了它編譯器又會做什麼？讓我們看看這個宏：
原來這個宏就是一些靜態方法和虛方法，但是如果我們加入到類中，不進行實現，那一定會報錯的，爲什麼還可以正常運行呢？原來Qt幫我們做了很多事情，在編譯器編譯Qt代碼之前，Qt先將Qt自身擴展的語法進行翻譯，這個操作是通過moc（Meta-Object Compiler）又稱“元對象編譯器”完成的。首先moc會分析源代碼，把包含Q_OBJECT的頭文件生成爲一個C++源文件，這個文件的名字會是源文件名前面加上moc_，之後和原文件一起通過編譯器處理，那我們想到，這個moc開頭的cpp中一定實現了上面宏裏面的方法，以及數據的賦值；接下來我們看看moc_MainWindow.cpp這個文件：
我們從上面的代碼中可以看到，是對Q_OBJECT中的靜態數據進行了賦值，並且實現了那些方法，這些都是Qt的moc編譯器幫我們生成的，對代碼進行了分析，對信號和槽生成了符號，以及特定的數據結構，下面這個主要是記錄了類、信號、槽的引用計數、大小、偏移，後面會用到。
通過把QT_MOC_LITERAL這個宏進行替換後，得到如下數據 :
接下來我們看看下面qt_meta_data_MainWindow這個數組結構：content有兩列，第一列是總數，第二列是在這個數組中描述開始的索引，如1, 14, // methods，說明有一個methods，我們可以看到slots就是從索引14開始的。
從最上面的源代碼中我們可以看到再關聯信號和槽的時候，用到了SIGNAL和SLOT這兩個宏，那麼這兩個宏到底有什麼作用呢？我們分析一下：
分析：
從上面我們可以看到其實這兩個就是一個字符串拼接的宏，會在信號(signal)前面拼接"2"，如”2clean()“；會在槽(slots)前面拼接"1"，如”1onClean()“; 其中，qFlagLocation這個方法主要是把method存儲在QThreadData裏面FlaggedDebugSignatures中的const char* locations[Count];表中，用於定位代碼對應的行信息。
預編譯後如下：
通過上面的一些基本宏、數據結構的介紹，我們知道Qt給我們做了很多工作，幫我們生成了moc代碼，給我們提供了一些宏，讓我們開發簡潔方便，那麼Qt又是如何把信號和槽進行關聯的呢，就是兩個不同的實例，又是如何進行通過信號槽機制進行通信的呢？接下來我們看看信號和槽關聯的實現原理：
第二步、信號和槽的關聯：
1、檢先對信號和槽的字符串進行檢查，QSIGNAL_CODE 是 1 ；SIGNAL_CODE 是 2。
2、獲取元數據（sender和receiver同理）。
這個方法就是我們上面moc_MainWindow.cpp中。
我們根據調試可以看到QObject::d_ptr->metaObject是空的，所以這樣smeta就是上面這個staticMetaObject變量了。
// 首先我們得了解一下這個QMetaObject 和 QMetaObjectPrivate 的定義：
在Qt中爲了實現二進制兼容性，一般會定義一個私有類，QMetaObjectPrivate就是QMetaObject的私有類，QMetaObject負責一些接口實現，QMetaObjectPrivate具體進行實現，這兩個類一般是通過P指針和D指針進行組合式的訪問，有一個宏：
我們看上面的staticMetaObject是一個QMetaObject類型的變量，其中QMetaObject進行了賦值：
1）&QWidget::staticMetaObject（父對象的MetaObject）-> superdata
2）qt_meta_stringdata_Test.data -> stringdata
3）qt_meta_stringdata_Test() -> data
4）qt_static_metacall（回調函數）->static_metacall
其中QMetaObject 是對外的結構，裏面的connect方法最終調用的還是QMetaObjectPrivate裏面的connect進行實現的。QMetaObject裏的d成員填充了上面的staticMetaObject數據，而QMetaObjectPrivate裏面的成員填充qt_meta_stringdata_Test數組中的數據，我們可以看到填充前14個數據，這也是moc生成methodData時以14爲基數的原因了，轉換方法如下：
3、對信號參數、名稱進行獲取和保存，如下，把信號的參數保存起來，返回方法名稱。
4、計算索引（包括基類）。
具體實現如下：
其中int handle = priv(m->d.data)->methodData + 5i; 我們可以分析，其實就是14+5i ，那爲什麼是5呢？因爲：
// signals: name, argc, parameters, tag, flags
1, 0, 24, 2, 0x06 / Public /,
// slots: name, argc, parameters, tag, flags
3, 0, 25, 2, 0x08 / Private /,
我們可以看到每一個signals或者slots都有5個整形表示。
5、對掩碼進行檢查。
// MethodFlags是一個枚舉類型，我們可以看到MethodSignal = 0x04， MethodSlot = 0x08；
// slots: name, argc, parameters, tag, flags
3, 0, 25, 2, 0x08 / Private /,
6、判斷鏈接類型，默認是Qt::AutoConnection。
enum ConnectionType {
AutoConnection,
DirectConnection,
QueuedConnection,
BlockingQueuedConnection,
UniqueConnection = 0x80
};
我們介紹一些連接類型：
1、AutoConnection：自動連接：默認的方式，信號發出的線程和糟的對象在一個線程的時候相當於：DirectConnection， 如果是在不同線程，則相當於QueuedConnection。
2、DirectConnection：直接連接：相當於直接調用槽函數，但是當信號發出的線程和槽的對象不再一個線程的時候，則槽函數是在發出的信號中執行的。
3、QueuedConnection ：隊列連接：內部通過postEvent實現的。不是實時調用的，槽函數永遠在槽函數對象所在的線程中執行。如果信號參數是引用類型，則會另外複製一份的。線程安全的。
4、BlockingQueuedConnection：阻塞連接：此連接方式只能用於信號發出的線程 和 槽函數的對象不再一個線程中才能用，通過信號量+postEvent實現的，不是實時調用的，槽函數永遠在槽 函數對象所在的線程中執行，但是發出信號後，當前線程會阻塞，等待槽函數執行完畢後才繼續執行。
5、UniqueConnection ：防止重複連接。如果當前信號和槽已經連接過了，就不再連接了。
最後到了信號和槽關聯核心的地方了：
首先，我們先得了解以下數據結構：
上面的這三個數據結構很重要，QObject是我們最熟悉的基類，QObjectPrivate是它的私有類，進行具體實現，QObjectPrivate繼承自QObjectData，在QObject裏面以組合的形式也進行P指針和D指針的方式進行訪問的。在信號和槽關聯過程中，數據結構Connection是很重要的數據結構，下面的這個結構是ConnectionList的一個Vector：
有了上面的數據結構，我們就可以分析下面的鏈接過程了， 我們看到下面的先是調用的QMetaObjectPrivate的connect， 之後又用QMetaObject::Connection進行了指針包裝：
QObjectPrivate::get(s) 方法其實就是獲取了一個QObjec裏面的QObjectPrivate實例，之後調用addConnection方法添加到鏈表中：
結構如下：
分析：
1、每個QObject對象都有一個QObjectConnectionListVector結構，這是一個Vector容器，它裏面的基本單元都是ConnectionList類型的數據，ConnectionList的個數與該QObject對象的signal個數相同。每個ConnectionList對應一個信號，它記錄了連接到這個信號上的所有連接。前面已經看到ConnectionList的定義中有兩個重要成員：first和last，他們都是Connection 類型的指針，分別指向連接到這個信號上的第一個和最後一個連接。所有連接到這個信號上的連接以單向鏈表的方式組織了起來，Connection結構體中的nextConnectionList成員就是用來指向這個鏈表中的下一個連接的。
2、同時，每個QObject對象還有一個senders成員，senders是一個Connection類型的指針，senders本身也是一個鏈表的頭結點，這個鏈表中的所有結點都是連接到這個QObject對象上的某個槽的連接。不過這個鏈表跟上一段提到的鏈表可不是同一個，雖然他們可能有一些共同結點。
3、每一個Connection對象都同時處於兩個鏈表當中。其中一個是以Connection的nextConnectionList成員組織起來的單向鏈表，這個單項鍊表中每個結點的共同點是，他們都依賴於同一個QObject對象的同一個信號，這個鏈表的頭結點就是這個信號對應的ConnectionList結構中的first；另一個鏈表是以Connection的next和prev成員組織起來的雙向鏈表，這個雙向鏈表中每個結點的共同點是，他們的槽都在同一個QObject對象上，這個鏈表的頭結點就是這個Qobject對象的sender。這兩個鏈表會有交叉（共同結點），但他們有不同的鏈接指針，所以不是同一個鏈表。
4、在Connect的時候，就是先new一個Connection對象出來，設置好這個連接的信息後，將它分別添加到上面提到的兩個鏈表中；disconnect的時候，就從從這兩個鏈表中將它移除，然後delete掉。而當一個QObject對象被銷燬的時候，它的sender指針指向的那個雙向鏈表中的所有連接都會被逐個移除！
第三步、發送信號到接受信號：
1、我們點擊上面的button後，然後調用到onDestory槽裏面， 這是我們寫的信號觸發的地方：
2、接下來就進入了moc_MainWindow.cpp裏面的代碼，調用了QMetaObject的靜態方法activate：
// 然後進入真正的QMetaObject::activate
我們的例子是Autoconntion模式，所以就會執行下面的代碼進行回調：
我們終於看到了，函數進行了回調到moc_MainWindow.cpp裏面，然後調用對應的槽onClean ；
最終調用到這裏後，打印輸出："MainWindow::onClean"
最後就是調用完後，會回到onDestory這裏：
注意：如果我們在onClean中進行了對m_testWidget對象的釋放操作（delete m_testWidget），再到onDestory()中 emit clean(); 後面進行訪問成員，那麼一定崩潰，所以要注意。
參考文獻：
1、https://woboq.com/blog/how-qt...
2、Qt5.7源碼
3、自己用C++實現的信號和槽demo：http://note.youdao.com/notesh...