深入理解信号槽（一）

这篇文章来自于 A Deeper Look at Signals and Slots，Scott Collins 2005.12.19。需要说明的是，我们这里所说的“信号槽”不仅仅是指 Qt 库里面的信号槽，而是站在一个全局的高度，从系统的角度来理解信号槽。所以在这篇文章中，Qt 信号槽仅仅作为一种实现来介绍，我们还将介绍另外一种信号槽的实现——boost::signal。因此，当你在文章中看到一些信号的名字时，或许仅仅是为了描述方便而杜撰的，实际并没有这个信号。

什么是信号槽？

这个问题我们可以从两个角度来回答，一个简短一些，另外一个则长些。

让我们先用最简洁的语言来回答这个问题——什么是信号槽？

• 信号槽是观察者模式的一种实现，或者说是一种升华；
• 一个信号就是一个能够被观察的事件，或者至少是事件已经发生的一种通知；
• 一个槽就是一个观察者，通常就是在被观察的对象发生改变的时候——也可以说是信号发出的时候——被调用的函数；
• 你可以将信号和槽连接起来，形成一种观察者-被观察者的关系；
• 当事件或者状态发生改变的时候，信号就会被发出；同时，信号发出者有义务调用所有注册的对这个事件（信号）感兴趣的函数（槽）。

信号和槽是多对多的关系。一个信号可以连接多个槽，而一个槽也可以监听多个信号。

信号可以有附加信息。例如，窗口关闭的时候可能发出 windowClosing 信号，而这个信号就可以包含着窗口的句柄，用来表明究竟是哪个窗口发出这个信号；一个滑块在滑动时可能发出一个信号，而这个信号包含滑块的具体位置，或者新的值等等。我们可以把信号槽理解成函数签名。信号只能同具有相同签名的槽连接起来。你可以把信号看成是底层事件的一个形象的名字。比如这个 windowClosing 信号，我们就知道这是窗口关闭事件发生时会发出的。

信号槽实际是与语言无关的，有很多方法都可以实现信号槽，不同的实现机制会导致信号槽差别很大。信号槽这一术语最初来自 Trolltech 公司的 Qt 库（现在已经被 Nokia 收购）。1994年，Qt 的第一个版本发布，为我们带来了信号槽的概念。这一概念立刻引起计算机科学界的注意，提出了多种不同的实现。如今，信号槽依然是 Qt 库的核心之一，其他许多库也提供了类似的实现，甚至出现了一些专门提供这一机制的工具库。

简单了解信号槽之后，我们再来从另外一个角度回答这个问题：什么是信号槽？它们从何而来？

前面我们已经了解了信号槽相关的概念。下面我们将从更细致的角度来探讨，信号槽机制是怎样一步步发展的，以及怎样在你自己的代码中使用它们。

程序设计中很重要的一部分是组件交互：系统的一部分需要告诉另一部分去完成一些操作。让我们从一个简单的例子开始：

// C++
class Button
{
public:
    void clicked(); // something that happens: Buttons may be clicked
};
class Page
{
public:
    void reload(); // ...which I might want to do when a Button is clicked
};

换句话说，Page 类知道如何重新载入页面（reload），Button 有一个动作是点击（click）。假设我们有一个函数返回当前页面 currentPage()，那么，当 button 被点击的时候，当前页面应该被重新载入。

// C++ --- making the connection directly
void Button::clicked()
{
    currentPage()->reload(); // Buttons know exactly what to do when clicked
}

这看起来并不很好。因为 Button 这个类名似乎暗示了这是一个可重用的类，但是这个类的点击操作却同 Page 紧紧地耦合在一起了。这使得只要 button 一被点击，必定调用 currentPage() 的 reload() 函数。这根本不能被重用，或许把它改名叫 PageReloadButton 更好一些。

实际上，不得不说，这确实是一种实现方式。如果 Button::click() 这个函数是 virtual 的，那么你完全可以写一个新类去继承这个 Button：

// C++ --- connecting to different actions by specializing
class Button
{
public:
    virtual void clicked() = 0; // Buttons have no idea what to do when clicked
};

class PageReloadButton : public Button
{
public:
    virtual void clicked() {
        currentPage()->reload();    // ...specialize Button to connect it to a specific action
    }
};

好了，现在 Button 可以被重用了。但是这并不是一个很好的解决方案。

引入回调

让我们停下来，回想一下在只有 C 的时代，我们该如何解决这个问题。如果只有 C，就不存在 virtual 这种东西。重用有很多种方式，但是由于没有了类的帮助，我们采用另外的解决方案：函数指针。

/* C --- connecting to different actions via function pointers */
void reloadPage_action( void* ) /* one possible action when a Button is clicked */
{
    reloadPage(currentPage());
}

void loadPage_action( void* url ) /* another possible action when a Button is clicked */
{
    loadPage(currentPage(), (char*)url);
}

struct Button {
    /* ...now I keep a (changeable) pointer to the function to be called */
    void (*actionFunc_)();
    void* actionFuncData_;
};

void buttonClicked( Button* button )
{
    /* call the attached function, whatever it might be */
    if ( button && button->actionFunc_ )
        (*button->actionFunc_)(button->actionFuncData_);
}

这就是通常所说的“回调”。buttonClicked() 函数在编译期并不知道要调用哪一个函数。被调用的函数是在运行期传进来的。这样，我们的 Button 就可以被重用了，因为我们可以在运行时将不同的函数指针传递进来，从而获得不同的点击操作。

增加类型安全

对于 C++ 或者 Java 程序员来说，总是不喜欢这么做。因为这不是类型安全的（注意 url 有一步强制类型转换）。

我们为什么需要类型安全呢？一个对象的类型其实暗示了你将如何使用这个对象。有了明确的对象类型，你就可以让编译器帮助你检查你的代码是不是被正确的使用了，如同你画了一个边界，告诉编译器说，如果有人越界，就要报错。然而，如果没有类型安全，你就丢失了这种优势，编译器也就不能帮助你完成这种维护。这就如同你开车一样。只要你的速度足够，你就可以让你的汽车飞起来，但是，一般来说，这种速度就会提醒你，这太不安全了。同时还会有一些装置，比如雷达之类，也会时时帮你检查这种情况。这就如同编译器帮我们做的那样，是我们出浴一种安全使用的范围内。

回过来再看看我们的代码。使用 C 不是类型安全的，但是使用 C++，我们可以把回调的函数指针和数据放在一个类里面，从而获得类型安全的优势。例如：

// re-usable actions, C++ style (callback objects)
class AbstractAction
{
public:
    virtual void execute() = 0; // sub-classes re-implement this to actually do something
};

class Button
{
    // ...now I keep a (changeable) pointer to the action to be executed
    AbstractAction* action_;
};

void Button::clicked()
{
    // execute the attached action, whatever it may be
    if ( action_ )
        action_->execute();
}

class PageReloadAction : public AbstractAction
    // one possible action when a Button is clicked
{
public:
    virtual void execute() {
        currentPage()->reload();
    }
};
class PageLoadAction : public AbstractAction
    // another possible action when a Button is clicked
{
public:
    // ...
    virtual void execute() {
        currentPage()->load(url_);
    }
private:
    std::string url_;
};

好了！我们的 Button 已经可以很方便的重用了，并且也是类型安全的，再也没有了强制类型转换。这种实现已经可以解决系统中遇到的绝大部分问题了。似乎现在的解决方案同前面的类似，都是继承了一个类。只不过现在我们对动作进行了抽象，而之前是对 Button 进行的抽象。这很像前面 C 的实现，我们将不同的动作和 Button 关联起来。现在，我们一步步找到一种比较令人满意的方法。