Qt 核心之元对象系统

Qt 的元对象系统（The Meta-Object System）由它的元对象编译器（Meta-Object Compiler，moc）帮忙实现，moc 通过读取头文件中的 Q_OBJCET 宏来判断是否需要生成元对象代码。如果需要，则生成以 moc_ 开头的源文件，在连接（Linking）时会和源文件一起生成可执行文件。

是什么

从 Qt 新增的关键字（signals、slots、emit）可以看出 Qt 并不是标准的 C++ 语言，而是对其进行了一定程度的扩展。
元对象系统是 Qt 核心的一部分，用于支持 Qt 的 C++ 扩展（Qt’s C++ extensions），它提供了用于对象间通信的信号与槽、运行时类型信息以及动态属性系统。

为什么

由于 Qt 是标准 C++ 的一个扩展，所以编译源代码时就需要将这些扩展的语法去掉，然后交给标准 C++ 编译器，诸如 GCC、MinGW、Clang 等。

怎么实现

元对象系统基于以下 3 件事：

QObject类为使用元对象系统的 Qt 对象提供了一个基类。
Q_OBJECT 宏用来在类中启用元对象特性，例如动态属性、信号、槽。
moc 为每个 QObject 子类提供实现元对象特性所需要的代码。

moc 工具读取 C++ 源文件。如果发现源文件中有一个类或者多个类的声明中包含 Q_OBJECT 宏，它就生成一个包含了这些类所需要的元对象代码的源文件。这个新源文件的文件名为源文件名前加上 moc_。新生成的源文件必须被 #include 到源文件中，或者更常见的是编译和连接到类的实现中。

怎么用

元对象系统有以下特性：

signals and slots 一个用于对象间通信的信号与槽机制（Qt 引入元对象系统最主要的原因）。
QObject::metaObject() 用来返回类关联的元对象。
QMetaObject::className() 用来在运行时获取类名，这个方法不需要原生 C++ 编译器的运行时类型信息（Runtime type information，RTTI）支持。
QObject::inherits() 用来判别一个对象是否是 QObject 继承树中的特定类的对象。
QObject::tr() 和 QObject::trUtf8() 提供 Qt 国际化中翻译字符串的支持。
QObject::setProperty() 和 QObject::property() 提供动态地设置和获取属性名。
QMetaObject::newInstance() 用于构造一个类的新实例。
qobject_cast 处理继承自 QObject 类的动态转换。它不需要 RTTI 支持，并且支持跨动态库转换。转换成功返回非零指针，失败返回 nullptr。

在 QObject 的派生类中，不使用 Q_OBJECT 宏以及没有元对象代码，上述元对象系统特性也能用。需要注意的是，QMetaObject::className() 只会返回离它最近且拥有元对象代码的祖先（即最近一个声明 Q_OBJECT 的祖先）的类名。所以建议 QObject 的派生类一律添加 Q_OBJECT 宏！

限制

这里的限制主要是指 moc 工具的限制，主要表现在以下几方面：

模板类中不能使用 Q_OBJECT。

class SomeTemplate<int> : public QFrame
{
    Q_OBJECT  // WRONG
    ...

signals:
    void mySignal(int);
};

多重继承时 QObject 必须是第一个，且不支持 QObject 的虚继承。

// CORRECT
class SomeClass : public QObject, public OtherClass
{
    ...
};

函数指针不能作为信号或槽的参数，可以用 typedef 简化函数指针，建议用继承或虚函数代替函数指针。

// WRONG
class SomeClass : public QObject
{
    Q_OBJECT

public slots:
    void apply(void (*apply)(List *, void *), char *);
};

// CORRECT
typedef void (*ApplyFunction)(List *, void *);

class SomeClass : public QObject
{
    Q_OBJECT

public slots:
    void apply(ApplyFunction, char *);
};

枚举类型或 Typedefs 作为信号和槽的参数时必须是完全限定名称。原因是 QObject::connect() 检测参数签名时，是比较的数据类型的字面意思。例如，Alignment 和 Qt::Alignment 会当作两种不同的参数类型。

class MyClass : public QObject
{
    Q_OBJECT

    enum Error {
        ConnectionRefused,
        RemoteHostClosed,
        UnknownError
    };

signals:
    void stateChanged(MyClass::Error error);
};

内嵌的类不能有信号与槽。

class A
{
public:
    class B
    {
        Q_OBJECT

    public slots:  // WRONG
        void b();
    };
};

信号槽的返回类型不能是引用。
在类的 signals 和 slots 代码块中，只能是信号和槽函数的声明，而不能是其他的声明。

moc 工具使用

如果你在编译程序时出现以下错误时有可能是没有编译进你由 moc 生成的源文件：

YourClass::className() is undefined
YourClass lacks a vtable

此时一般运行一下 qmake 来更新 makefile 即可。

一般来讲，qmake 会从头文件中读取 Q_OBJECT 宏来生成 moc 源文件。假如你没有头文件，qmake 则无法知道怎样生成 moc 源文件，你可以手动生成并源文件末尾 #include moc 源文件，否则会报错。

手动生成方法如下：

/path/to/moc yourclass.cpp -o moc_yourclass.cpp

添加到源文件中示例：

class NoHeaderClass : public QObject
{
    Q_OBJECT
public:
    explicit NoHeaderClass(QObject *parent = nullptr);

signals:

public slots:
};

#include "moc_noheader.cpp"  // 必须加到末尾，不然会提示找不到 NoHeaderClass 等定义。

moc 工具主要实现以下功能

信号与槽
对象属性
普通枚举类型
可以进行位与操作的枚举类型
类的额外信息，用于 QObject::metaObject() 返回

#include <QObject>

class MyClass : public QObject
{
    Q_OBJECT
    Q_PROPERTY(Priority priority READ priority WRITE setPriority)
    Q_CLASSINFO("Author", "Oscar Peterson")
    Q_CLASSINFO("Status", "Active")

public:
    enum Priority { High, Low, VeryHigh, VeryLow };
    Q_ENUMS(Priority)

    enum LoadHint {
        ResolveAllSymbolsHint = 0x01,
        ExportExternalSymbolsHint = 0x02,
        LoadArchiveMemberHint = 0x04
    };
    Q_DECLARE_FLAGS(LoadHints, LoadHint)
    Q_FLAG(LoadHints)

    MyClass(QObject *parent = 0);
    ~MyClass();

    void setPriority(Priority priority)
    {
        m_priority = priority;
    }
    Priority priority() const
    {
        return m_priority;
    }

signals:
    void mySignal();

public slots:
    void mySlot();

private:
    Priority m_priority;
};

参考

下篇Qt 核心之属性系统