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C++ Qt開發：如何使用訊號與槽

2023-12-11 12:01:48

在Qt中，訊號與槽（Signal and Slot）是一種用於物件之間通訊的機制。是Qt框架引以為傲的一項機制，它帶來了許多優勢，使得Qt成為一個強大且靈活的開發框架之一。訊號與槽的關聯通過QObject::connect函數完成。這樣的機制使得物件能夠以一種靈活而鬆散耦合的方式進行通訊，使得元件之間的互動更加靈活和可維護。

訊號（Signal）是一種特殊的成員函數，用於表示某個事件的發生。當特定的事件發生時，物件會發射（emit）相應的訊號。例如，按鈕被點選、定時器時間到達等都可以是訊號。

槽（Slot）是用於處理訊號的成員函數。槽函數定義了在特定訊號發生時執行的操作。一個槽可以與一個或多個訊號關聯，當訊號被髮射時，與之關聯的槽函數將被呼叫。

在早期，物件間的通訊採用回撥實現。回撥實際上是利用函數指標來實現，當我們希望某件事發生時處理常式能夠獲得通知，就需要將回撥函數的指標傳遞給處理常式，這樣處理常式就會在合適的時候呼叫回撥函數。回撥有兩個明顯的缺點：

  • 它們不是型別安全的，無法保證處理常式傳遞給回撥函數的引數都是正確的。
  • 回撥函數和處理常式緊密耦合，源於處理常式必須知道哪一個函數被回撥。

而訊號與槽機制則可以更好的比秒上述問題的產生，以下是訊號與槽機制的一些優勢：

  1. 鬆散耦合（Loose Coupling）： 訊號與槽機制實現了鬆散耦合，使得物件之間的連線更加靈活。物件不需要知道彼此的具體實現，只需通過訊號與槽進行通訊。這降低了元件之間的依賴關係，提高了程式碼的可維護性。
  2. 事件驅動（Event-Driven）： 訊號與槽機制使得Qt應用程式能夠輕鬆地處理事件。例如，按鈕的點選、定時器的超時等都可以通過訊號與槽來處理，使得應用程式能夠響應使用者互動和外部事件。
  3. 模組化設計： 通過訊號與槽，不同模組之間可以通過事件進行通訊，這樣可以更容易地設計和維護模組化的程式碼。一個模組的改變不太可能影響到其他模組，從而提高了程式碼的可維護性。
  4. 非同步通訊： 訊號與槽機制支援跨執行緒的非同步通訊。當訊號與槽連線在不同執行緒的物件上時，Qt會自動進行執行緒間的通訊，使得開發者能夠更方便地處理多執行緒應用。
  5. 靈活的連線方式： Qt支援多種連線方式，包括在程式碼中使用QObject::connect連線，也可以使用Qt Creator等工具在圖形介面上進行視覺化的訊號與槽關聯。這種靈活性使得開發者可以選擇最適合他們需求的連線方式。
  6. 型別安全的連線（Qt5新增特性）： 在Qt5中引入了新的connect語法，不再需要使用SIGNAL()和SLOT()宏，而是使用函數指標直接進行連線，從而在編譯時進行型別檢查，減少了潛在的執行時錯誤。

總體而言，這些優勢使得Qt成為構建各種型別應用程式的理想選擇。

1.1 訊號與槽函數

1.1.1 Connect

訊號和槽進行關聯使用的是QObject類的connect()函數，QObject::connect 是用於建立訊號與槽連線的Qt框架函數。它有幾個不同的過載形式，但最常用的形式是：

static QMetaObject::Connection QObject::connect(
    const QObject *sender,
    const char *signal,
    const QObject *receiver,
    const char *slot,
    Qt::ConnectionType type = Qt::AutoConnection
);

引數解釋如下：

  • sender：發出訊號的物件指標。
  • signal：訊號的簽名，使用 SIGNAL 宏包裝，指定了發出的訊號。
  • receiver：接收訊號的物件指標。
  • slot：槽函數的簽名，使用 SLOT 宏包裝，指定了接收到訊號時要呼叫的函數。
  • type：連線的型別，是一個列舉值，可以是 Qt::AutoConnection、Qt::DirectConnection、Qt::QueuedConnection 或 Qt::BlockingQueuedConnection。

在函數定義中，第一個引數sender為傳送訊號的物件，第二個引數signal為要傳送的訊號，第三個引數receiver為接收訊號的物件，第4個引數slot為接收物件在接收到訊號之後所需要呼叫的槽函數。該函數的最後一個參數列明瞭關聯的方式，預設值是Qt::AutoConnection方式，函數最終返回值是一個 QMetaObject::Connection 物件，可以用於斷開連線時使用。

這個函數的作用是將 sender 物件的 signal 與 receiver 物件的 slot 進行連線。當 sender 發出訊號時，receiver 物件的 slot 函數將被呼叫。

1.1.2 Disconnect

QObject::disconnect 是 Qt 框架用於斷開訊號與槽連線的函數。它有幾個不同的過載形式，但最常用的形式是：

static bool QObject::disconnect(
    const QObject *sender,
    const char *signal,
    const QObject *receiver,
    const char *slot
);

引數解釋如下：

  • sender：發出訊號的物件指標。
  • signal：訊號的簽名，使用 SIGNAL 宏包裝，指定了發出的訊號。
  • receiver：接收訊號的物件指標。
  • slot：槽函數的簽名，使用 SLOT 宏包裝，指定了接收到訊號時要呼叫的函數。

這個函數的作用是斷開 sender 物件的 signal 與 receiver 物件的 slot 之間的連線。如果連線存在，那麼它將被斷開，不再觸發。該函數返回值是一個 bool 型別，表示是否成功斷開連線。

1.2 應用訊號與槽

1.2.1 訊號與槽繫結

訊號與槽函數的使用非常容易理解，筆者將以最簡單的案例來告訴大家該如何靈活的運用這兩者，首先新建一個Qt Widgets Application專案，如下圖所示第一個則是該專案的索引標籤，其他引數保持預設即可；

當專案被建立好之後讀者應該能構建看到如下圖所示的頁面提示資訊，其中的untitled.pro是專案的主組態檔該組態檔一般有Qt自動維護，資料夾Headers則是專案的標頭檔案包含路徑，Sources則是程式碼的實現路徑，最後一個Forms是用於圖形化設計的UI模板。

首先雙擊mainwindow.ui進入到UI設計模式，接著拖拽一個PushButton按鈕元件，與兩個lineEdit元件到右側的表單畫布上，並按下Ctrl+S儲存該畫布，重新整理組態檔，如下圖所示；

此時回到編輯選單，並點選mainwindow.h標頭檔案部分，並在標頭檔案mainwindow.h的類MainWindow的定義中宣告槽函數，程式碼如下，其含義是定義一個按鈕點選槽：

public slots:
    void on_pushButton_clicked();

接著我們就需要點選mainwindow.cpp檔案，並在標頭檔案中實現這個槽函數的具體功能，此處我們就實現設定兩個lineEdit元件分別用於顯示兩串字串，程式碼如下；

void MainWindow::on_pushButton_clicked()
{
    ui->lineEdit->setText("hello lyshark");
    ui->lineEdit_2->setText("www.lyshark.com");
}

最後一步則是建立對映關係，在類MainWindow的建構函式中新增如下語句，以便將訊號和槽函數進行連線：

#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent)
    : QMainWindow(parent)
    , ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);

    // 建立關聯當點選pushButton時訊號clicked 傳送給槽on_pushButton_clicked
    connect(ui->pushButton,SIGNAL(clicked()),this,SLOT(on_pushButton_clicked));
}

MainWindow::~MainWindow()
{
    delete ui;
}

void MainWindow::on_pushButton_clicked()
{
    ui->lineEdit->setText("hello lyshark");
    ui->lineEdit_2->setText("www.lyshark.com");
}

此時執行程式，當讀者點選按鈕時，則會自動觸發on_pushButton_clicked()所關聯的程式碼，將兩個lineEdit設定為不同的內容，如下圖；

當然了，上述過程都是需要我們手動的去關聯訊號與槽，在開發中其實可以直接在PushButton元件上郵件，選中轉到槽選項，此時則會彈出關於該元件所支援的所有槽函數，讀者只需要選中並雙擊，即可自動實現槽函數的建立與管理，這對於高效率開發是至關重要的。

當然在槽函數使用結束後我們需要斷開，在斷開時直接使用disconnect並傳入需要斷開的繫結sender訊號即可，如下所示；

void MainWindow::on_pushButton_2_clicked()
{
    disconnect(ui->pushButton,SIGNAL(clicked()),nullptr,nullptr);
}

1.2.2 匿名函數繫結

你是否感覺使用程式碼建立訊號與槽很麻煩呢，其實通過使用Lambda表示式我們可以與Connect完美的結合在一起使用，者能夠讓訊號與槽的使用更加的得心應手。

Lambda表示式是一種匿名函數的表示方式，引入C++11標準，用於建立行內函式或閉包。Lambda表示式可以在需要函數物件的地方提供一種更為簡潔和靈活的語法。

它的基本形式如下：

[capture](parameters) -> return_type {
    // 函數體
}
  • capture：用於捕獲外部變數的列表。可以捕獲外部變數的值或參照，也可以省略不捕獲任何變數。捕獲列表是Lambda表示式的一部分。
  • parameters：參數列，類似於普通函數的引數。
  • return_type：返回型別，指定Lambda表示式的返回型別。可以省略，由編譯器自動推斷。
  • {}：Lambda表示式的函數體。

使用Lambda表示式與Qt的connect函數結合實現匿名槽函數。具體概述如下：

Lambda表示式的初始化

[=]() {
    this->setWindowTitle("初始化..");
}();

這裡使用Lambda表示式對 this->setWindowTitle("初始化.."); 進行了初始化，Lambda表示式中的 [=] 表示捕獲外部變數並通過值傳遞，其中的 () 表示Lambda表示式立即執行，實現對視窗標題的初始化。

Lambda表示式作為槽函數

connect(btn_ptr1, &QPushButton::clicked, this, [=]() mutable {
    number = number + 100;
    std::cout << "inner: " << number << std::endl;
});

這裡使用Lambda表示式作為 btn_ptr1 按鈕的槽函數。在Lambda表示式中，使用了 mutable 關鍵字，允許修改通過值傳遞的變數 number。當按鈕 btn_ptr1 被點選時，Lambda表示式內部修改了 number 的值，並輸出修改後的值。

Lambda表示式中的返回值

int ref = []() -> int {
    return 1000;
}();
std::cout << "Return = " << ref << std::endl;

這裡的Lambda表示式中帶有返回值的情況。Lambda表示式通過 -> int 指定返回型別，然後在大括號中返回了一個整數值。該Lambda表示式被立即執行，返回值被賦給變數 ref，並輸出到控制檯。

如下，我們就來演示一個簡單的直接使用匿名函數實現功能的案例，當使用匿名函數時，只需要在Connect時將功能一併寫到連結函數的底部即可，此時的效果等同於上述功能，因為沒有函數名所以顯得更加簡單，如下圖；

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent)
    : QMainWindow(parent)
    , ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);

    // 匿名函數
    connect(ui->pushButton,&QPushButton::clicked,this,[=](){
        std::cout << "hello lyshark" << std::endl;
        ui->lineEdit->setText("www.lyshark.com");
    });
}

總體來說，匿名函數（Lambda表示式）在Qt中與connect函數一起使用，提供了一種方便的方式來定義簡短的槽函數，使得程式碼更加緊湊和可讀。