使用 C++11 编写类似 QT 的信号槽——上篇

　　了解 QT 的应该知道，QT 有一个信号槽 Singla-Slot 这样的东西。信号槽是 QT 的核心机制，用来替代函数指针，将不相关的对象绑定在一起，实现对象间的通信。

　　考虑为 Simple2D 添加一个类似的信号槽，实现对象间的通信。当然，功能比较简单，不过对于 Simple2D 就足够了。最终的使用看起来像是这样的：

class A
{
public:
    void FuncA(int v1, float v2, std::string str)
    {
        log("A: --%d--%f--%s--", v1, v2, str.c_str());
    }
};

class B
{
public:
    void FuncB(int v1, float v2, std::string str)
    {
        log("B: --%d--%f--%s--", v1, v2, str.c_str());
    }
};

 

    A objA;
    B objB;

    Signal<void(int, float, std::string)> signal;

    Slot slot1 = signal.connect(&objA, &A::FuncA);
    Slot slot2 = signal.connect(&objB, &B::FuncB);

    signal(10, 20, "Signal-Slot test");

　　类 A 和 类 B 分别有一个函数（返回类型、参数个数及参数类型一样），然后将 A 对象 objA 的 FuncA 函数和 B 对象 objB 的 FuncB 函数绑定到信号对象 signal 中，通过信号 signal 的调用，实现对 FuncA 和 FuncB 函数的调用。输出窗口的输出内容为：

 

　　

　　Signal-Slot 能够实现对象间的解耦，接下来按照上面的代码，用 C++11 的特性编写信号槽。

 

　　信号槽 Signal-Slot

　　要实现上面的功能似乎并不困难，核心内容就是对回调函数的使用。

　　将需要绑定的对象函数保存到 std::function 中，再把 std::function 保存到信号 Signal 对象中，使用数组保存 std::function 能够实现一个 Signal 对应多个 Slot，最后重载 Signal 的操作符 ()。接下来将围绕上面的步骤实现 Signal-Slot。

 

　　std::function

　　std::function（引入头文件 <functional>） 是 C++11 的内容，通过 std::function 对 C++ 中各种可调用实体（普通函数、类成员函数、Lambda表达式、函数指针、以及其它函数对象等）的封装，形成一个新的可调用的 std::function 对象。

　　如果要将成员函数绑定到 std::function 对象中，可以通过以下的代码实现：

class A
{
public:
    void FuncA(int v1, float v2, std::string str)
    {
        log("A: --%d--%f--%s--", v1, v2, str.c_str());
    }
};

　　

    std::function<void(int, float, std::string)> Functional;

    A objA;
    Functional = std::bind(&A::FuncA, objA, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3);

    Functional(20, 55, "functional test");

　　输出结果：

　　通过 std::bind 函数类成员函数绑定到 std::function 中，但对于参数要使用占位符 std::placeholders::_x，由于 FuncA 函数有 3 个参数，所以要使用 3 个占位符。

　　要实现 Signal-Slot，就要把任意的类成员函数绑定到 std::function 中。对于上面的情况，由于 FuncA 函数有 3 个参数，所以要使用 3 个占位符。对于那些不确定参数个数的类成员函数，如何把它们统一的绑定到 std::function 中呢？或许可以把参数个数为 1 - 10 的常用情况都列举出来，但这样并不是一个号方法。

 

　　类成员函数的函数指针

　　在解决将不确定参数个数的类成员函数绑定到 std::function 前，先看一看不用 std::function 实现的类成员函数的回调函数。

class A
{
public:
    void FuncA(int v1, float v2, std::string str)
    {
        log("A: --%d--%f--%s--", v1, v2, str.c_str());
    }
};

 

    typedef void(A::*Functionl)(int, float, std::string);

    A objA;

    Functionl functional = &A::FuncA;
    A* objAPtr = &objA;

    (objAPtr->*functional)(20, 55, "functional test");

　　输出结果：

　　实现的方法和普通函数的函数指针类似，只不过定义函数指针的时候要使用类名 + ::，使用的时候也需要使用对象的指针（这意味着你要多保存一个对象指针）。在不使用 std::function 的情况下，实现类成员函数的回调函数要复杂的多。但有一个好处，就是绑定时和函数参数的个数无关。

　　结合上面两种方式的类成员函数的回调，就可以解决那个问题了——将不确定参数个数的类成员函数绑定到 std::function。

 

　　bind_member 类成员绑定函数

　　你应该要注意到，无论是 std:: function<void(int, float, std::string)> 的方式，还是 typedef void(Class::*Functional)(int, float, std::string) 的方式，都必须确定函数的返回类型和参数的类型（一旦 std::function 的函数格式确定了，就不能绑定其他格式的函数）。

　　下面要编写一个函数 bind_member，功能是将类成员函数（任意返回类型，任意参数类型，任意参数个数）绑定到 std::function 中。它看上去是这样的：

    std::function<void(int, float, std::string)> Functional;

    A objA;
    Functional = bind_member(&objA, &A::FuncA);

    Functional(20, 55, "functional test");

　　输出结果：

　　上面使用 bind_member 函数的代码中，你可以看出两种方式实现类成员函数回调的影子。那么如何实现 bind_member 呢？由于存在函数返回类型，所以要用到函数模板；由于函数的参数个数和参数类型不同，所以要用到可变参模板；如果你不了解可变参模板，可以看下面关于可变参模板的简单介绍。

 

 

　　可变参模板

　　变参模板是 C++11 的新特性，其基本语法为：

template<class... Args>

　　和普通模板不同，添加了三个点...，表示 Args 是模板参数包（template type parameter pack），是一连串任意的参数打成的一个包。下面举一个例子（定义一个函数，接受任意参数并输出）说明如何使用可变参模板：

        template<class... Args>
        void Log(Args... args)
        {
            printf("");
        }

　　调用函数 Log 时，传入 1、2、3、4 四个参数：

Log(1, 2, 3, 4);

　　虽然定义了一个可变参模板的函数 Log，但内部如何实现才能输出 1， 2， 3， 4  呢？也就是如何获取参数包中的参数，如果能分别获取参数包中的参数就能使用函数 printf 输出了。

　　这个是参数包的展开问题，可以使用递归函数的方法展开参数包。因此，需要两个重载函数实现参数包的展开：

        template<class T, class... Args>
        void Log(T header, Args... args)
        {
            printf("--%d--\n", header);
            Log(args...);
        }

        void Log(int value)
        {
            printf("--%d--\n", value);
        }

　　第二个函数可以理解，但是第一个函数是什么意思？这个先不理它，看下面的函数调用：

        Log(1);                // 1
        Log(1, 2);             // 2
        Log(1, 2, 3);          // 3
        Log(1, 2, 3, 4);       // 4

　　 1、当传入的参数只有 1 时，毫无疑问会调用第二个函数，将 1 输出。

　　2、当传入的参数为 1 和 2 时，可以猜测它会调用第一个函数：1 给 header 变量，然后输出。剩下的 2 给 args，由于 args 只有一个参数 2，所以接下来的 Log(args...) 会调用第二个函数输出 2。参数包的展开结束。

　　3、当传入的参数为 1， 2， 3 时，显然它会调用第一个函数：1 给 header 变量，然后输出。剩下的 2， 3 给 args，那么接下来的 Log(args...) 调用的是哪一个函数呢？（第一感觉是 args... 表示着一个变量，应该调用第二个函数才对，因为第二个函数接收一个参数，但这样就不能展开接下来的 2 和 3 了）如果能理解这一步，就能理解如何展开参数包了。答案是 args... 会被拆成两部分，第一个参数 2 为一部分，剩下的 3 作为另一部分。既然分成了两部分，它会调用第一个函数处理（第一次接触变参模板的人，很容易把第一个函数 Log 理解成结束两个参数的函数，但并不是）。 接下来的展开和步骤 2 的只有参数 1 和 2 时一样，所以递归展开参数包结束。

　　4、当传入的参数为 1， 2， 3， 4 时，这次用图片来说明：

 

　　bind_member 实现

　　结合以上的内容，你可以实现 bind_member 函数：

    template<class Return, class Type, class... Args>
    std::function<Return(Args...)> bind_member(Type* instance, Return(Type::*method)(Args...))
    {
        /* 匿名函数 */
        return[=] (Args&&... args) -> Return
        {
            /* 完美转发：能过将参数按原来的类型转发到另一个函数中 */
            /* 通过完美转发将参数传递给被调用的函数 */
            return (instance->*method)(std::forward<Args>(args)...);
        };
    }

 

　　代码中只是利用了可变参模板的参数包，解决了函数参数类型和参数个数不确定的问题。然后将函数指针的调用封装在一个匿名函数中，再绑定到 std::function 中。其中使用了 C++11 的完美转发，上面也做了简单的介绍。

 

　　避免文章过长，分成两部分来实现 Signal-Slot，重点部分下篇文章再说。