信號與槽機制是一種廣泛應用于事件驅動系統和GUI框架（如Qt）的設計模式。它允許組件之間通過訂閱-發布模式進行通信，從而實現松耦合的設計。本文將詳細講解如何在原生C++中從零開始實現信號與槽機制，并深入探討其工作原理。
一、信號與槽機制的核心概念
信號與槽機制的核心思想是：一個組件（信號）可以發出某種事件，其他組件（槽）可以訂閱該事件，并在事件觸發時執行相應的操作。這種設計模式的優勢在于：
- 松耦合：信號和槽之間沒有直接的依賴關系，提高了系統的靈活性和可維護性。
- 可擴展性：可以輕松地添加新的槽函數，而無需修改信號的代碼。
- 事件驅動：適用于需要異步處理事件的場景。
二、實現信號與槽機制的步驟
1. 定義Signal類
首先，我們需要定義一個Signal類，用于管理槽函數的連接和觸發。
#include <vector>
#include <functional>
#include <mutex>template<typename... Args>
class Signal {
public:// 連接槽函數void connect(std::function<void(Args...)> slot) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);slots.push_back(slot);}// 斷開槽函數void disconnect(std::function<void(Args...)> slot) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);auto it = std::remove(slots.begin(), slots.end(), slot);slots.erase(it, slots.end());}// 觸發信號void emit(Args... args) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);for (const auto& slot : slots) {slot(args...);}}private:std::vector<std::function<void(Args...)>> slots;std::mutex mutex_;
};
關鍵點解釋：
- 模板參數
Args：使用模板參數Args，使得Signal類可以支持不同類型的信號和槽函數。Args...表示可變參數模板，支持任意數量和類型的參數。 connect方法：用于將槽函數連接到信號上。槽函數被存儲在一個std::vector<std::function<void(Args...)>>容器中。disconnect方法：用于斷開已連接的槽函數。通過std::remove和erase操作，從容器中移除指定的槽函數。emit方法：用于觸發信號，并將參數傳遞給所有連接的槽函數。遍歷容器中的所有槽函數，并依次調用它們。- 線程安全性：使用
std::mutex和std::lock_guard，確保在多線程環境下對槽函數容器的操作是線程安全的。
2. 定義槽函數
槽函數是響應信號觸發的操作。以下是兩個簡單的槽函數示例：
#include <iostream>void slot1() {std::cout << "Slot 1 triggered!" << std::endl;
}void slot2(int arg) {std::cout << "Slot 2 received argument: " << arg << std::endl;
}
說明：
- 槽函數可以是任何接受特定參數并執行相應操作的函數或lambda表達式。
- 槽函數的類型必須與信號的模板參數匹配。
3. 使用Signal類
在main函數中，我們可以創建一個Signal對象，并連接槽函數。
int main() {// 創建一個Signal對象，用于發送通知Signal<std::string> notificationSignal;// 連接槽函數notificationSignal.connect(onNotificationReceived);// 發送通知notificationSignal.emit("Hello, YongYong! This is a notification from Guoyao.");return 0;
}
說明：
Signal<std::string>表示該信號接受一個字符串參數。connect方法將槽函數onNotificationReceived連接到信號上。emit方法觸發信號，并將通知消息傳遞給所有連接的槽函數。
三、實現原理的深入分析
1. 模板與參數化
Signal類使用模板參數Args，使得它可以支持不同類型的信號和槽函數。這種參數化設計使得信號與槽機制具有高度的靈活性和可擴展性。
template<typename... Args>
class Signal {// ...
};
通過模板參數，Signal類可以處理任意數量和類型的參數。例如：
Signal<void>：不帶參數的信號。Signal<int>：帶一個整數參數的信號。Signal<int, double>：帶兩個參數（整數和浮點數）的信號。
2. 槽函數的存儲與管理
槽函數被存儲在一個std::vector<std::function<void(Args...)>>容器中。std::function是一個通用的函數包裝器，可以存儲任何可調用對象（如函數指針、lambda表達式等）。
std::vector<std::function<void(Args...)>> slots;
槽函數的連接與斷開：
connect方法將槽函數添加到容器中。disconnect方法從容器中移除指定的槽函數。
注意事項：
- 由于
std::function的比較操作可能不準確，斷開槽函數時需要確保傳遞的槽函數與連接時完全相同。 - 如果使用lambda表達式作為槽函數，可能會遇到比較操作的問題，因為lambda表達式是匿名的，無法直接比較。
3. 信號的觸發
emit方法負責觸發信號，并將參數傳遞給所有連接的槽函數。
void emit(Args... args) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);for (const auto& slot : slots) {slot(args...);}
}
關鍵點：
- 使用
std::lock_guard確保在多線程環境下對槽函數容器的訪問是線程安全的。 - 遍歷容器中的所有槽函數，并依次調用它們，傳遞參數。
4. 線程安全性
在多線程環境下，信號與槽機制需要確保對槽函數容器的操作是線程安全的。Signal類通過使用std::mutex和std::lock_guard實現了這一點。
std::mutex mutex_;
線程安全操作：
- 在
connect、disconnect和emit方法中，使用std::lock_guard對mutex_進行加鎖，確保同一時間只有一個線程可以操作槽函數容器。
四、實際應用示例
場景描述
假設我們有一個“國遙”模塊需要向“勇勇(YongYong)”發送通知。我們可以使用信號與槽機制來實現這一功能。
實現代碼
以下是完整的代碼示例：
#include <vector>
#include <functional>
#include <mutex>
#include <iostream>
#include <string>template<typename... Args>
class Signal {
public:// 連接槽函數void connect(std::function<void(Args...)> slot) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);slots.push_back(slot);}// 斷開槽函數void disconnect(std::function<void(Args...)> slot) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);auto it = std::remove(slots.begin(), slots.end(), slot);slots.erase(it, slots.end());}// 觸發信號void emit(Args... args) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);for (const auto& slot : slots) {slot(args...);}}private:std::vector<std::function<void(Args...)>> slots;std::mutex mutex_;
};// 定義槽函數
void onNotificationReceived(const std::string& message) {std::cout << "Notification received by YongYong: " << message << std::endl;
}int main() {// 創建一個Signal對象，用于發送通知Signal<std::string> notificationSignal;// 連接YongYong的槽函數notificationSignal.connect(onNotificationReceived);// 發送通知notificationSignal.emit("Hello, YongYong! This is a notification from Guoyao.");return 0;
}
運行結果
運行上述代碼后，控制臺將輸出：
Notification received by YongYong: Hello, YongYong! This is a notification from Guoyao.
這表明“國遙”成功地向“勇勇(YongYong)”發送了通知，且通知被正確接收和處理。
五、總結與擴展
通過以上步驟，我們成功地實現了“國遙向勇勇(YongYong)發送通知”的信號與槽機制。這一機制不僅提高了代碼的模塊化和可維護性，還使得系統中的不同模塊之間能夠高效、靈活地進行通信。
在實際項目中，可以根據具體需求進一步擴展和優化這一機制，例如：
- 支持弱引用：防止槽函數持有對象而導致的內存泄漏。可以通過
std::weak_ptr來實現。 - 信號繼承與重載：允許信號被繼承和重載，以支持更復雜的事件處理邏輯。
- 信號過濾：在觸發信號時，根據某些條件過濾槽函數，避免不必要的調用。
新特性)
