【开源】基于Qt的跨平台插件式开发框架QCPFrame（一）
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【 说 明 】: 项目旨在为个人提供学习指引及开发思路，试图规范和助力国产化工控软件发展。项目在实际中不断维护和升级，但只上传了全套社区版源码(HostView:v2.0.0.1，QCPF_Model: v2.0.0.4 ，QCPF_ViewModel:v1.0.0.6)，您可以贡献您的源码来推动项目更新和bug修复。另外，商用可以选择企业版源码(HostView:v4.1.0.3，QCPF_Model: v3.1.0.2 ，QCPF_ViewModel:v2.5.0.4)。本文主要阐述"社区版"的主要特性，"企业版"请点击下方链接。
【 社区版 】: QCPFrame In Github QCPFrame In Gitee QCPFrame in CSDN
【 企业版 】: 企业版介绍及更新日志 企业版演示程序 示例工程 应用案例
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：西安
图1. 企业版效果图
一. 前言
一直以来，笔者都在从事工控相关的行业，至今已有15年的职业历程。为了更好的将自己的经验应用于实践，同时汲取各方力量助力这一开放式的框架，遂将其进行免费开源。
框架最初应用于航空自动测试系统，即MV结构，View即一个用于控制测试启动，停止，存储，报表生成等基本操作的UI界面，而M是测试序列Tps的集合，他无关界面，只是调用底层硬件驱动，描述测试流程。
后来笔者又进入航天测控及军工领域，这一行业的特点就是需求不确定，需要经常添加或修改UI及功能，项目周期短更迭快，需要一个可裁剪，可重用，松耦合，可同步开发的高效框架。
说到这里，笔者除了是一个架构师以外，也是一个原创音乐爱好者。虽然音乐上并无建树，但在进行编曲的时候，国外音频宿主软件倒是给了笔者很大的设计启发。音频宿主软件是一个容器。用户在使用的过程中，可以安装各种各样的音色和效果器插件。宿主根本不关心用户会加载多少插件以及插件功能，它只是负责管理好他们，提供各种供用户操作的插件接口。因此，我理解一个好的框架就像一个舞台，只是用于承载乐器插件完成一场美妙得音乐会。
二. QCPFrame 介绍
QCPFrame 全称Qt-based Commonly-used Plugin Framework。它是一个开源的基于Qt的跨平台插件开发框架，旨在提高基于PC及Linux平台下工控软件设计的通用性，重用性，高效性，可裁剪性，松耦合性。在QCPFrame中，您可以基于控制台或者服务来运行最小插件系统，也可以通过view editor(也是一个插件)来编辑带有UI的桌面程序。在QCPFrame中，一切皆插件，甚至一个后台功能，菜单项，工具栏项，状态栏项，dock片都可以是一个插件。插件在编辑和配置插件，包括它自己，这一切就像是在搭积木，使得模块开发人员只用专注于本模块的开发，而无需过多关注软件系统最终的集成。
QCPFrame的设计思路是将需求后置，即用插件的形式不断填充既有功能，通过接口提供各种通讯机制来帮助他们之间协同工作。
作为基础版的QCPFrame，它具备以下特性：
1. 热插拔功能
实现了动态扫描插件并加载的功能，这便于在线更新等相关功能的开发。
2. 系统组件/非系统组件
由于框架采用了Model-ViewModel的架构，一切皆插件的设计思路，那么可执行程序对于系统而言，不过是一个启动器而已，大部分功能是需要插件来实现，比如插件管理器，视图编辑器，系统设置等等，这些从前是放在主程序中的功能模块，如今也是作为一个插件被宿主统一管理。如此以来，系统的升级将意味着只需要升级插件，因为主程序基本没有什么代码。这些用于不断扩充系统功能的组件，在系统中被称之为系统组件。
非系统组件用于实现二次开发时，对于业务的实现。这样把框架本身和业务分开的方式，不但提高了系统的灵活性，也可以将框架与业务解耦。
3. 组件克隆
在项目开发的过程中，我们经常会遇到有些UI需求，是多组相同的界面及功能，只是他们对应的硬件通道不同而已。相信很多人的做法就是复制代码，或者写一个类new出多个对象。有了组件克隆，你只需要做一个通道，其他的可以轻松通过组件管理器来克隆出一模一样的组件，他们是深拷贝实现的，因此不必考虑指针的关联性。出于安全考虑，只有用于实现业务层的组件支持克隆，而系统组件的克隆不被允许。
4. 组件排序
组件排序功能，使开发者能够调整组件在运行时被加载的顺序，这在某些与硬件初始化相关的应用中至关重要。系统提供了"Model构造时"，"Model析构时"，“View构造时”，“View第一次显示时”，“View关闭时”这几个节点的信号，系统运行至这几个节点时，会按照组件排序的顺序，依次调用组件的这些接口函数。
5.共享内存
框架的接口提供了丰富的共享内存类型，供插件之间同步时使用，这包含C++基本类型，链表，队列等等。
6.跨平台
跨平台是Qt先天的优势，在国产化进程日益高涨的未来，对于国防工控软件来说，更是提出了更高的要求。本框架分别在Windows 7专业版，Ubuntu 18.4，银河麒麟V10操作系统上进行了部署测试，达到了良好的效果。
三、优势
前面提到QCPFrame具有通用性，重用性，高效性，可裁剪性，松耦合的特性，那么它在实际开发中，能带来什么好处，让我们来分析一下。
1. 通用性
它支持带有UI的应用程序，同时也支持无UI的控制台应用程序。框架本身与业务无关，我们可以将它应用于任何业务方向，换言之，所有二次开发的业务都取决于插件。
它的优势并非“界面可编辑”，对于内核而言，用于组织UI的ViewModel及插件ViewEditor也是可有可无的存在，他们只是作者用于设计UI的一种思路，当你需要一套不同的View样式和思路时，由于内核是独立不变的，那你只需要重新设计View层，而处于业务层的plugin甚至都不用动。
2. 重用性
当所有业务都以插件的形式存在时，一些常用的功能可以被写成插件，在不同项目中重复利用将可以大大提高开发效率。它可以是一个无界面的IVI仪器驱动模块，Matlab算法模块，OpenCV图像处理模块，CRC校验模块或者是带UI的串口助手模块，日志管理器模块，文件/目录浏览器模块等等。
3. 高效性
合理的松耦合业务层设计，可以将大的功能模块分割为小的插件模块，小组“并行开发”将大大提高开发的效率，显著缩短开发周期。
另外，如果后期需要对某一个业务单元进行维护升级，并不需要把所有代码拿出来，只需要在特定插件模块中进行。一旦项目所属的开发人员发生更替，对新的开发者而言，缩小了维护范围，使维护工作变得更轻松和安全。
4. 可裁剪性
与传统软件框架相比，QCPFrame天生可裁剪，这首先体现在“插件管理器”和“系统管理器”这两个系统级插件上。我们可以轻松在线决定将哪些插件使能，哪些插件被禁用。
另外，QCPFrame原生提供了UI的可编辑功能，通过ViewEditor编辑好的带权限的UI配置，当不同的用户登录进来，UI元素将根据权限决定是否对用户使能。比如游客登入将不能进行任何形式的管理，管理员用户登入只能进行系统管理，用户管理，而超级管理员不仅可以进行前面的管理，还能编辑UI等等。
5. 松耦合性
耦合性大多体现在模块与模块之间，层与层之间的交互上，QCPF_Model提供了不止一种途径用于模块间的松耦合通讯，这在作者【开源】基于Qt的跨平台插件开发框架QCPFrame（二）一节中有讲。
实践证明，松耦合性不仅有利于项目并行开发时的高效性，也有利于后期维护。维护人员在特定模块里的代码改动，将对其他模块构成最小影响，甚至毫无影响。
6. 知识产权与国家秘密保护
公司知识产权，项目中客户的保密要求，对于一个企业的重要性不言而喻，然而核心技术防得了外人，却防不了内部员工的流动，风险巨大。采用插件式框架，可以有效避免核心模块的公开，特别是二次开发时，只要核心插件或模块不变，就无需提供源码，开发人员便只专注于其他非核心插件的开发或维护，从而能有效防范核心模块或具有保密性要求的模块扩散。
四. 系统结构
图3. QCPFrame 系统结构图
从以上的系统结构图来看，大的模块分为Model，ViewModel及View。
Model为系统模型，分为QCPFModel和PluginModel，其中QCPFModel的实例即为内核Core，他按照配置文件对插件进行初始化，安装及管理，在插件与内核之间，插件与插件之间建立通讯桥梁，提供内核接口等。安装包括系统功能设置，插件使能/禁用，插件克隆，运行时排序等功能。Model不编辑配置文件，配置文件的编辑工作将由System Manager插件完成。
PluginModel则是所有Plugin的基类模型，它分为系统插件和非系统插件，他们的特征和设计方向是贴近系统，并且将来会越来越更加固化，用以扩充系统功能，比如系统管理器，插件管理器，用户管理器等插件。非系统插件则主要用于实现特定业务模块，以框架的应用方向为测试测控来讲，板卡驱动封装，算法，以及测试模块等，都可以设计成非系统插件。
ViewModel用于定义视图模型，它能够根据配置文件在View中绘制菜单，工具栏，状态栏及工作区内容，跟Model类似，ViewModel也不编辑配置文件，而UI编辑工作，是由一个叫做View Editor的插件来完成。ViewModel与Model可以没有任何关联，它只是引入了一种典型的视图模板，并帮你从配置文件动态绘制他们。当你不喜欢这个View模板时，也可以重写或者修改ViewModel来快速构建你喜欢的模板样式。
View是一个可执行程序，用于承载内核模型和视图模型，因为所有的工作都被Model和ViewModel完成了，所以主程序代码量相当少。对于一个控制台程序Console来讲，ViewModel不参与运行。Core+Console即为最小插件系统，它具备基本的插件管理和通讯能力，可以当作一个控制台或者服务程序来使用。
五. View Editor插件
为了直观的介绍QCPFrame,我们通过系统中一个有趣的插件View Editor来介绍QCPFrame的便捷之处。如上图2所示，View界面主要由菜单栏，工具栏，dock窗口，状态栏组成。而view editor插件要做的工作，就是提供一个UI编辑器，并通过访问Model与组件特定的功能进行绑定，这一切都是可视化的，你可以随心调整UI部件的位置和展示方式。
菜单工具栏与用户权限挂钩，可以实现不同的用户进入后是否菜单工具栏对其可用。
图4. View Editor 菜单编辑功能
对于菜单栏来说，其实可以认为每个顶级菜单项即为一颗树。View Editor在设计时，允许用户随意添加树节点，除了顶级菜单项以外，可以任意添加分隔符，并通过方向键调整层级关系。每个菜单项可以设置查看权限，这有助于不同权限的用户登陆后看到不同的权限的UI。添加好树节点以后，就可以通过Load Action按钮给该菜单项挂载一个Action，从Action Viewer页面来找到你要的Action。
图5. Action Viewer工具
一旦完成Action挂载，该菜单项再下一次启动后，便可以通过信号槽与组件指定的功能挂接起来。通过Load Icon按钮为该菜单项设定一个图标，该图标将一直伴随这个Action。需要说明的是这些可以挂载的Action是预先在插件工程中开发好的，随着插件模块的积累，对于View Editor来说，可选可编辑的Action也将更丰富。
图6. View Editor 工具栏及状态栏编辑功能
对于工具栏来讲，View Editor允许用户添加多个工具栏，并为指定工具栏添加Action, Action下拉框的项来自菜单编辑页面所映射过的Action，也就是说你只能先在菜单下加入该新Action，才能在工具栏里添加它。多工具栏的支持，可以让你实现类似Word一样的复杂视图，值得一提的是，工具栏编辑模块还允许你将插件里开发好的任意widget展示到工具栏里，如图1中工具栏右侧的搜索框就是自定义控件，Widget Viewer是一个插件widget列表查看器，你可以通过它找到你要的widget。
图7. Widget Viewer工具
系统只提供了一个状态栏，其编辑类似于工具栏，只不过没有分割符，因为Qt的状态栏会自动为每个item添加分隔符。
图8. View Editor 工作区页面编辑
对于workspace，是以dockwidget为容器的工作区，通过widget选择功能，你可以从已经开发好的widget列表中选择你要的，在重新启动以后，系统会将这些widget放入dockwidget容器中，系统做了Layout存储，因此当你通过拖拽，调整好需要的UI并关闭系统时，该Layout将会被保存，包括工具栏的位置及Dock，如图1所示。
其实说到这里，本节内容不过是在讲一个插件，它只是整个系统中一个小的模块，我的意思是说，至此我们可以把任何功能与主程序剥离，而使其成为一个易于升级的热插拔模块，所有的重心都在插件上，view或console只是一个启动器罢了。
图9. ubuntu 下运行最小插件系统
图10. ubuntu 下运行带UI的QCPFrame插件系统--登录界面
图11. ubuntu 下运行带UI的QCPFrame插件系统--主界面
图12. ubuntu 下运行带UI的QCPFrame插件系统--View Editor
小结：
本篇文章简单介绍了一下该开源项目的主旨，系统结构，设计理念及系统中的一些概念，说的不对的望各位大神指点。下一篇，我会介绍框架的二次开发及接口，也会展望一下未来，制定下一步的设计目标，谢谢。
【开源】基于Qt的跨平台插件式开发框架QCPFrame（二）