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1. 信号与槽的概念
信号与槽是一种用于实现事件驱动编程的设计模式，主要用于对象之间的解耦通信。这种模式源于Qt框架，但其概念可以应用于任何C++程序。在这种模式中：
- 信号（Signal）：代表一种事件的发生。当特定条件满足时，信号会被"发射"（emit），通知所有监听这个信号的对象。
- 槽（Slot）：是一个响应特定信号的函数。当信号被发射时，所有连接到该信号的槽都会被自动调用。
举个例子：当用户在界面上点击一个按钮时，按钮发出一个"clicked"信号，连接的槽函数则执行相应的操作，如更新界面或处理数据。
这种机制的优势在于：
- 低耦合：发送信号的对象不需要知道接收信号的对象是谁
- 类型安全：通过模板实现类型检查
- 灵活性：可以动态地连接和断开信号与槽
2. 模块设计
2.1 Signal 模板类
Signal 类是实现信号与槽机制的核心，负责管理信号的发射和槽的连接。它需要具备以下功能：
connect：连接一个槽函数到信号，返回唯一标识符disconnect：通过唯一ID移除指定的槽函数emit：发射信号，调用所有已注册的槽
下面是 Signal 类的实现示例：
#ifndef SIGNAL_H
#define SIGNAL_H#include <unordered_map>
#include <functional>
#include <iostream>template <typename... Args>
class Signal {
public:using SlotType = std::function<void(Args...)>;using SlotID = int;SlotID connect(SlotType slot) {SlotID id = nextID++;slots[id] = slot;return id;}void disconnect(SlotID id) {slots.erase(id);}void emit(Args... args) const {for (const auto& pair : slots) {pair.second(args...);}}private:std::unordered_map<SlotID, SlotType> slots;SlotID nextID = 0;
};#endif // SIGNAL_H
这个实现使用了C++11的可变参数模板，允许信号携带任意数量和类型的参数。每个槽通过std::function包装，提供了极大的灵活性。
2.2 连接槽的示例
槽函数可以是多种形式，包括：
- 普通函数
- Lambda表达式
- 类成员函数
- 函数对象（functor）
以下是连接各类型槽的示例代码：
#include "Signal.h"
#include <iostream>
#include <string>// 普通函数作为槽
void onMessageReceived(const std::string &message) {std::cout << "Received message: " << message << std::endl;
}// 带有多个参数的槽函数
void onStatusChange(const std::string &component, bool status) {std::cout << "Component " << component << " status: " << (status ? "online" : "offline") << std::endl;
}// 使用类成员函数作为槽
class Example {
public:void onExampleEvent(const std::string &message) {std::cout << "Example::onExampleEvent: " << message << std::endl;}void onValueChanged(int newValue) {value = newValue;std::cout << "Value updated to: " << value << std::endl;}private:int value = 0;
};// 函数对象作为槽
class MessageLogger {
public:void operator()(const std::string &message) {std::cout << "[Logger] " << message << std::endl;}
};
2.3 主程序示例
在主程序中，我们将测试各种功能：
#include "Signal.h"
#include <iostream>
#include <string>int main() {// 创建不同类型的信号Signal<std::string> messageSignal;Signal<std::string, bool> statusSignal;Signal<int> valueSignal;// 创建用于测试的对象Example exampleObj;MessageLogger logger;// 连接普通函数auto id1 = messageSignal.connect(onMessageReceived);// 连接成员函数auto id2 = messageSignal.connect([&exampleObj](const std::string &message) {exampleObj.onExampleEvent(message);});// 连接函数对象auto id3 = messageSignal.connect(logger);// 连接Lambda表达式auto id4 = messageSignal.connect([](const std::string &message) {std::cout << "Lambda handler: " << message << std::endl;});// 连接多参数信号statusSignal.connect(onStatusChange);// 连接值变化信号valueSignal.connect([&exampleObj](int value) {exampleObj.onValueChanged(value);});// 发射信号，所有槽都会被调用std::cout << "=== Emitting messageSignal ===" << std::endl;messageSignal.emit("Hello, World!");// 断开某个槽std::cout << "\n=== Disconnecting first slot and emitting again ===" << std::endl;messageSignal.disconnect(id1);messageSignal.emit("This message won't reach onMessageReceived");// 测试多参数信号std::cout << "\n=== Testing statusSignal ===" << std::endl;statusSignal.emit("Database", true);statusSignal.emit("Network", false);// 测试值变化信号std::cout << "\n=== Testing valueSignal ===" << std::endl;valueSignal.emit(42);valueSignal.emit(100);return 0;
}
3. 扩展功能
基于上述基本实现，我们可以添加一些高级特性：
3.1 自动断开连接
为了防止在对象销毁后仍然调用其成员函数，我们可以实现自动断开连接的机制：
template <typename... Args>
class ScopedConnection {
public:ScopedConnection(Signal<Args...>& signal, typename Signal<Args...>::SlotID id): signal_(&signal), id_(id), connected_(true) {}// 移动构造函数ScopedConnection(ScopedConnection&& other) noexcept: signal_(other.signal_), id_(other.id_), connected_(other.connected_) {other.connected_ = false;}// 禁止复制ScopedConnection(const ScopedConnection&) = delete;ScopedConnection& operator=(const ScopedConnection&) = delete;~ScopedConnection() {disconnect();}void disconnect() {if (connected_ && signal_) {signal_->disconnect(id_);connected_ = false;}}private:Signal<Args...>* signal_;typename Signal<Args...>::SlotID id_;bool connected_;
};