深入了解Qt之元对象系统（Meta-Object System）

Posted 2020-07-12 写代码是一种艺术，甚于蒙娜丽莎的微笑！

深入了解Qt主要内容来源于Inside Qt系列，本文做了部分删改，以便于理解。在此向原作者表示感谢！

在Qt Meta Object System-元对象系统这篇文章中，从底层实现的源码剖析了元对象系统的机制，在这里就做一些补充。

Meta Object System的设计基于以下几个基础设施：

QObject类，作为每一个需要利用元对象系统的类的基类。也就是说只有继承QObject类才能使用MOS。

Q_OBJECT宏，定义在每一个类的私有数据段，用来启用元对象功能，比如，动态属性、信号和槽。

元对象编译器moc（Meta Object Compiler），如果一个头文件中包含Q_OBJECT宏定义，moc就会将该文件编译成C++源文件。该原文件包含了Q_OBJECT的实现代码，也被编译，最终链接到这个类的二进制代码中。因为它也是这个类的一部分。通常，这个新的C++原文件会再以前的C++原文件前面加上moc_作为新的文件名。

如下图所示：

 

除了提供在对象间通讯的机制外，元对象系统还包含以下几种功能：

QObject::metaObject()方法，获得与一个类相关联的meta-object。

QMetaObject::className()方法，在运行期间返回一个对象的类名，不需要本地C++编译器的RTTI（run time type information）支持。

QObject::inherits()方法，用来判断一个对象的类是不是从一个特定的类继承而来。

QObject::tr()、QObject::trUtf8()，为软件的国际化翻译字符串。

QObject::setProperty()、QObject::property()，根据属性名动态的设置和获取属性值。

使用qobject_cast()方法在QObject类之间提供动态转换，qobject_cast()方法的功能类似于标准C++的dynamic_cast()，但是qobject_cast()不需要RTTI的支持。在一个QObject类或者它的派生类中，如果不定义Q_OBJECT宏，那么这些功能将不能被使用。从meta-object的观点来看，一个没有定义Q_OBJECT宏的类与它最接近的那个祖先类是相同的。那么QMetaObject::className()方法返回的名字并不是该类的名字，而是与它最近接的那个祖先类的名字。所以，任何从QObject继承的类都必须定义Q_OBJECT宏。

Meta Object的所有数据和方法都封装在QMetaObject类中，它包含一个Qt类的meta信息，并且提供查询功能。

meta信息包含：

1. 信号表（signal table），与对应Qt类相关的系统定义及自定义的signal的名字。
2. 槽表（slot table），与对应Qt类相关的系统定义及自定义的slot的名字。
3. 类信息表（class info table），Qt类的类型信息。
4. 属性表（property table），与对应类中的所有属性的名字。
5. 指向parent meta object的指针。

请参考下图，Qt Meta Data Tables：

Qt Meta Class与Qt Class之间的对应关系：

Q_OBJECT宏的定义如下：

#define Q_OBJECT \\  
public: \\  
Q_OBJECT_CHECK \\  
static const QMetaObject staticMetaObject; \\  
virtual const QMetaObject *metaObject() const; \\  
virtual void *qt_metacast(const char *); \\  
QT_TR_FUNCTIONS \\  
virtual int qt_metacall(QMetaObject::Call, int, void **); \\  

staticMetaObject是静态常量，metaObject()是获取该对象指针的方法。所有QObject的对象都会共享staticMetaObject变量，靠它完成所有信号和槽的功能。

QMetaObject的定义如下：

1. struct Q_CORE_EXPORT QMetaObject  
2. {  
3. // ......  
4. struct { // private data  
5. const QMetaObject *superdata;  
6. const char *stringdata;  
7. const uint *data;  
8. const void *extradata;  
9. } d;  
10. };

上面的代码就是QMetaObject类所定义的所有数据成员，就是这些数据成员记录了所有的signal、slot、property、class information信息。

const QMetaObject *superdata，该变量指向与之对应的QObject类的父类对象，或者是祖先类的QMetaObject对象。每一个QObject类或者其派生类可能有一个父类或者父类的父类。那么superdata就是指向与其最接近的祖先类中的QMetaObject对象。如果没有父类，那么该变量就是一个NULL指针。

举个例子：

class Animal : public QObject{
Q_OBJECT
...
};

class Cat : public Animal{
Q_OBjECT
...
};

Cat::staticMetaObject.d.superdata这个指针指向的对象就是Animal::staticMetaObject，而Animal::staticMetaObject.d.superdata这个指针指向的对象就是QObject::staticMetaObject，QObject::staticMetaObject.d.superdata指针的值就是NULL。

再例如下面的例子：

class Animal : public QObject{
...
};

class Cat : public Animal{
Q_OBjECT
...
};

那么，Cat::staticMetaObject.d.superdata 这个指针变量指向的对象是 QObject::staticMetaObject，因为 Animal::staticMetaObject 这个对象是不存在的。

const char*stringdata，这是一个指向string data的指针。但它和我们平时所使用的一般的字符串指针却很不一样，我们平时使用的字符串指针只是指向一个字符串的指针，而这个指针却指向的是很多个字符串。那么它不就是字符串数组吗？哈哈，也不是。因为C++的字符串数组要求数组中的每一个字符串拥有相同的长度，这样才能组成一个数组。那它是不是一个字符串指针数组呢？也不是，那它到底是什么呢？让我们来看一看它的具体值，以QObject这个class的QMetaObject为例来说明。

下面是QObject::staticMetaObject.d.stringdata指针所指向的多个字符串数组，其实它就是指向一个连续的内存区，而这个连续的内存区中保存了若干个字符串。

static const char qt_meta_stringdata_QObject[] =  
{  
"QObject\\0\\0destroyed(QObject*)\\0destroyed()\\0"  
"deleteLater()\\0_q_reregisterTimers(void*)\\0"  
"QString\\0objectName\\0parent\\0QObject(QObject*)\\0"  
"QObject()\\0"  
};  

这个字符串都是些什么内容呀？有，Class Name, Signal Name,Slot Name, Property Name。看到这些大家是不是觉得很熟悉呀，对啦，他们就是MetaSystem所支持的最核心的功能属性了。

const unit *data，这个指针指向一个正整数数组，只不过在不同的object中数据的长度不一定相同，这取决于与之相应的class中定义了多少signal、slot和property。

这个整数数组的值，有一部分指出了前一个变量（stringdata）中不同字符串的索引值，但是需要注意的是，这里面的数值并不是直接标明了每一个字符串的索引值，这个数组还需要通过一个相应的算法计算后，才能获得正确的字符串的索引值。

下面是QObject::staticMetaObject.d.data指针指向的正整数数组的值如下：

static const uint qt_meta_data_QObject[] = 
{
       //content:
       2,       //revision
       0,       //classname
       0,       0,       //classinfo
       4,       12,       //methods
       1,       32,       //properties
       0,       0,       //enums/sets
       2,       35,       //constructors
       //signals:signature,parameters,type,tag,flags
       9,       8,       8,       8,       0x05,
       29,     8,       ,8       8,       0x25,
       //slots:signature,parameters,type,tag,flags
       41,       8,       8,       8,       0x0a,
       55,       8,       8,       8,       0x08,
       //properties:name,type,flags
       90,       82,       0x0a095103,
       //constructors:signature,parameters,type,tag,flags
       108,       101,       8,       8,       0x0e,
       126,        8,          8,       8,       0x2e,
       0       //end
};

第一个section，就是 //content 区域的整数值，这一块区域在每一个QMetaObject的实体对象中数量都是相同的，含义也相同，但具体的值就不同了。专门有一个struct定义了这个section，其含义在上面的注释中已经说的很清楚了。

struct QMetaObjectPrivate  
{  
      int revision;  
      int className;  
      int classInfoCount, classInfoData;  
      int methodCount, methodData;  
      int propertyCount, propertyData;  
      int enumeratorCount, enumeratorData;  
      int constructorCount, constructorData;  
};  

第二个section，以 // signals 开头的这段。这个section中的数值指明了QObject这个class包含了两个signal，
第三个section，以 // slots 开头的这段。这个section中的数值指明了QObject这个class包含了两个slot。
第四个section，以 // properties 开头的这段。这个section中的数值指明了QObject这个class包含有一个属性定义。
第五个section，以 // constructors 开头的这段，指明了QObject这个class有两个constructor。

const void *extradata，这是一个指向QMetaObjectExtraData数据结构的指针。