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Qt-D指针与Q指针的设计哲学

news 来源：原创 2025/8/13 16:42:48

文章目录

  • 前言
    • PIMLP与二进制兼容性
    • D指针
    • Q指针
    • 优化d指针继承
    • Q_D和Q_Q

前言

在探索Qt源码的过程中会看到类的成员有一个d指针，d指针类型是一个private的类，这种设计模式称为PIMPL（pointer to implementation），本文根据Qt官方文章介绍d指针与q指针，理解其中的设计哲学。

PIMLP与二进制兼容性

PIMPL（pointer to implementation）或称Opaque Pointer指的是将一个类的功能实现通过另一个实现类的指针隐藏起来，例如头文件有如下声明：

class Widget {public:Widget();...
private:WidgetImpl* p;
}

在cpp中实现WidgetImpl类

class WidgetImpl {// implementation
}

这种设计模式通常使用在库的实现当中，因为它有两个好处：

  1. 隐藏类实现。包括一些没必要暴露给用户的内部函数声明，以及需要的成员变量等实现细节。
  2. 库的二进制兼容。当改变实现类的数据成员时，不影响库的二进制兼容性，原本使用库的主程序不需要重新编译，只需要把库文件（动态库）进行替换即可。

让我们看一个二进制不兼容的例子，假设有如下实现，并且将其编译成WidgetLib1.0动态库：

 class Widget{// ...private:Rect m_geometry;};class Label : public Widget{public:// ... String text() const {return m_text;}private:String m_text;}

当我们有一天希望升级Widget类的功能，需要新增一个数据成员，如下：

 class Widget{// ...private:Rect m_geometry;String m_stylesheet; // NEW in WidgetLib 1.1};class Label : public Widget{public:// ...String text() const{return m_text;}private:String m_text;};

此时编译出WidgetLib1.1库后，替换1.0库，这时运行主程序会发生崩溃。原因在于我们新增了一个数据成员，从而改变了类Widget的大小，当编译器在编译生成底层代码时，它会使用到数据成员的偏移量从而访问某个对象的某一个数据成员，下面是WidgetLib1.0和WidgetLib1.1简化后label对象的内存分布对比。

在这里插入图片描述
在WidgetLib1.0中，m_text在label对象偏移量为1的位置，而在WidgetLib1.1中，m_text偏移量为2。对于主程序而言，在编译使用1.0版本的主程序时，主程序中调用text()接口的代码会被翻译成访问label对象偏移量为1的位置的数据，而在升级到WidgetLib1.1后，由于主程序没有重新编译，只是替换了库，库中的m_text偏移量变为了2，但是主程序由于没有重新编译，因此它访问的仍然是偏移量为1的位置，但是此时访问到的实际上是m_stylesheet的变量。
这里text()的代码实现的翻译在主程序中而不是在lib中，是因为其实现是在头文件中写的，那么如果不是写在头文件中结果有变化吗？答案是没有，因为编译器依赖于对象的大小生成代码，并且要求编译时和运行时的对象大小是一致的，如果我们主程序中声明了一个在栈上的label对象，编译器在编译时（主程序+1.0库）认为对象的大小是2，而升级库到1.1后，主程序运行时的实际大小为3，那么在创建对象的时候就会把栈中的数据覆盖掉从而破坏栈。

至此我们得出一个结论，如果希望程序在库升级后能继续使用，我们就不能改变类的大小。

D指针

解决方法就是让导出的类拥有一个指针，这个指针指向了所有内部的数据，当内部数据的成员增减时，由于这个指针只在库中用到，因此只会影响到库，对主程序而言，类的大小一直都是一个内部数据指针的大小，因此不会对主程序产生影响，这个指针在Qt中称为D指针。

 /* Since d_ptr is a pointer and is never referenced in header file(it would cause a compile error) WidgetPrivate doesn't have to be included,but forward-declared instead.The definition of the class can be written in widget.cpp orin a separate file, say widget_p.h */class WidgetPrivate;class Widget{// ...Rect geometry() const;// ... private:WidgetPrivate *d_ptr;};
‎

在widget_p.h中

/* widget_p.h (_p means private) */
struct WidgetPrivate
{Rect geometry;String stylesheet;
};

widget.cpp

// With this #include, we can access WidgetPrivate.
#include "widget_p.h"Widget::Widget() : d_ptr(new WidgetPrivate)
{// Creation of private data
}Rect Widget::geometry() const
{// The d-ptr is only accessed in the library codereturn d_ptr->geometry;
}

class Label : public Widget
{// ...String text();private:// Each class maintains its own d-pointerLabelPrivate *d_ptr;
};

label.cpp

// Unlike WidgetPrivate, the author decided LabelPrivate
// to be defined in the source file itself
struct LabelPrivate
{String text;
};Label::Label() : d_ptr(new LabelPrivate)
{
}String Label::text()
{return d_ptr->text;
}

由于d指针只在库中使用，而每次发布库都会重新编译，因此Private类可以随意更改而不会影响主程序。

这种实现方式有如下好处：

  1. 二进制兼容性
  2. 隐藏实现细节。只需一个头文件和一个库。
  3. 头文件没有实现细节相关的api，用户可以更清晰的看到能使用的api
  4. 编译更快。因为所有实现细节都从头文件都移到了实现类的cpp文件中

Q指针

有时在Private实现类中我们希望访问原有类的指针，调用它的一些函数，因此在实现类中通常会保存一个指针指向原有的类，这个指针我们称为Q指针。
widget.h

class WidgetPrivate;class Widget
{// ...Rect geometry() const;// ...
private:WidgetPrivate *d_ptr;
};

widget_p.h

struct WidgetPrivate
{// Constructor that initializes the q-ptrWidgetPrivate(Widget *q) : q_ptr(q) { }Widget *q_ptr; // q-ptr points to the API classRect geometry;String stylesheet;
};

widget.cpp

#include "widget_p.h"
// Create private data.
// Pass the 'this' pointer to initialize the q-ptr
Widget::Widget() : d_ptr(new WidgetPrivate(this))
{
}Rect Widget::geometry() const
{// the d-ptr is only accessed in the library codereturn d_ptr->geometry;
}

‎label.h

class Label : public Widget
{// ...String text() const;private:LabelPrivate *d_ptr;
};

label.cpp

// Unlike WidgetPrivate, the author decided LabelPrivate
// to be defined in the source file itself
struct LabelPrivate
{LabelPrivate(Label *q) : q_ptr(q) { }Label *q_ptr;String text;
};Label::Label() : d_ptr(new LabelPrivate(this))
{
}String Label::text()
{return d_ptr->text;
}

优化d指针继承

注意到Widget和Label类都声明了一个各自类的Private类指针，且子类构造函数在实例化父类时使用的是默认无参的构造函数，因此，当我们实例化Label时，会先调用基类的构造函数，然后new WidgetPrivate，接着调用子类的构造函数，然后new LabelPrivate，对于某些深度继承的类，这种设计将会造成多次的内存申请，且有多个相互独立的Private类对象存在，子类的d_ptr还会覆盖父类的同名数据成员d_ptr。解决方法是让Private类也具有继承关系，将子类的指针沿着Private类继承链向上传递。注意这种方式要求Private父类要在单独的头文件中声明（而不是直接写在cpp文件中），否则无法被其他Private子类继承。改进后的设计如下：
widget.h

class Widget
{
public:Widget();// ...
protected:// only subclasses may access the below// allow subclasses to initialize with their own concrete PrivateWidget(WidgetPrivate &d);WidgetPrivate *d_ptr;
};

widget_p.h

struct WidgetPrivate
{WidgetPrivate(Widget *q) : q_ptr(q) { } // constructor that initializes the q-ptrWidget *q_ptr; // q-ptr that points to the API classRect geometry;String stylesheet;
};

widget.cpp

Widget::Widget() : d_ptr(new WidgetPrivate(this))
{
}Widget::Widget(WidgetPrivate &d) : d_ptr(&d)
{
}

label.h

class Label : public Widget
{
public:Label();// ...
protected:Label(LabelPrivate &d); // allow Label subclasses to pass on their Private// notice how Label does not have a d_ptr! It just uses Widget's d_ptr.
};

label.cpp

#include "widget_p.h"class LabelPrivate : public WidgetPrivate
{
public:String text;
};Label::Label(): Widget(*new LabelPrivate) // initialize the d-pointer with our own Private
{
}Label::Label(LabelPrivate &d) : Widget(d)
{
}

当我们创建Label对象，只会发生一次内存申请，即new LabelPrivate。

Q_D和Q_Q

在Label类方法中，当我们访问d_ptr时，访问的是基类声明的WidgetPrivate类型的指针，在Label类的方法中为了访问LabelPrivate的成员text，需要向下转换

void Label::setText(const String &text)
{LabelPrivate *d = static_cast<LabelPrivate*>(d_ptr); // cast to our private typed->text = text;
}‎

Qt定义了Q_D函数帮我们做上述的转化，以简化代码，Q_Q函数类似：

#define Q_D(Class) Class##Private * const d = d_func()
#define Q_Q(Class) Class * const q = q_func()

其中d_func()是把d_ptr进行类似static_cast<LabelPrivate*>的类型转换。于是代码简化为：

// With Q_D you can use the members of LabelPrivate from Label
void Label::setText(const String &text)
{Q_D(Label);d->text = text;
}// With Q_Q you can use the members of Label from LabelPrivate
void LabelPrivate::someHelperFunction()
{Q_Q(Label);q->selectAll();
}

d_func()通过Q_DECLARE_PRIVATE定义了两个版本，一个返回Private类指针，一个返回const Private类指针，此外Q_DECLARE_PRIVATE还声明ClassPrivate是Class的友元类，如下：

#define Q_DECLARE_PRIVATE(Class)\inline Class##Private* d_func() {\return reinterpret_cast<Class##Private *>(qGetPtrHelper(d_ptr));\}\inline const Class##Private* d_func() const {\return reinterpret_cast<const Class##Private *>(qGetPtrHelper(d_ptr));\}\friend class Class##Private;

我们可以在公共类（导出类）声明一个Q_DECLARE_PRIVATE，从而快速声明返回const和非const Private类指针的d_func()，以及声明Private类是当前类的友元类，如下：

class QLabel
{
private:Q_DECLARE_PRIVATE(QLabel)
};

friend class Class##Private的作用是让Private类可以访问公共类的public/protected/private接口。
注意，当我们需要使用const版本的Private类指针时，使用如下写法：

Q_D(const Label);  // 自动调用const版本的d_func()

通常d_func()是在类内部使用，不过某些情况下，也可以通过声明friend class的方式使得其它类可以访问当前类内部的数据，这些数据通常无法从当前类的公共api得到，例如，在QLabel类中声明ClassA是友元类，ClassA对象访问QLabel内部数据的方法如下：

// ClassA声明为QLabel的friend class, ClassA方法中可以有如下调用
label->d_func()->linkClickCount;

参考：

  1. https://wiki.qt.io/D-Pointer

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编程日记 2025/8/13 11:34:43

Html label标签中的for属性（关联表单控件：将标签与特定的表单元素（如输入框、复选框等）关联起来；提高可用性；无障碍性）

文章目录 示例代码for属性含义完整代码示例 示例代码 <div class"form-group"> <!-- 表单组&#xff0c;包含省份输入框和标签 --><label for"province">省份名称&#xff1a;</label> <!-- 省份输入框的标签 --><input…...

编程日记 2025/8/12 8:32:20

二叉树的基本操作与实现：C语言深度剖析

目录 代码整体框架 1. #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 2. 头文件引入 3. typedef int BTtype; 4. 二叉树节点结构体定义 二叉树的创建 1. BuyNode 函数 2. CreatNode 函数 二叉树的遍历 前序遍历 中序遍历 后序遍历 二叉树属性的计算 节点个…...

编程日记 2025/8/13 10:48:35

【人工智能】Deepseek 与 Kimi 联袂：重塑 PPT 创作，开启智能演示新纪元

我的个人主页 我的专栏&#xff1a;人工智能领域、java-数据结构、Javase、C语言&#xff0c;希望能帮助到大家&#xff01;&#xff01;&#xff01;点赞&#x1f44d;收藏❤ 前言 在当今快节奏的工作与学习场景中&#xff0c;PPT 制作常常是一项耗时耗力的任务。从前期的资…...

编程日记 2025/8/9 15:08:53

Nest系列：NestJS 中 Logger 完全指南：从基础到企业级实践-04

一、Logger 的核心价值 在服务端应用中，日志系统承担着三大核心职责： 系统监控：实时反馈应用健康状态问题追踪：快速定位异常根源行为审计：记录关键业务操作NestJS 内置的日志系统提供了开箱即用的解决方案，支持： ✅ 多日志级别管理 ✅ 上下文感知日志 ✅ 自定义输出格式…...

编程日记 2025/8/12 4:47:49

行为模式---模版模式

概念 模版模式是设计模式行为模式的一种&#xff0c;它的核心思想是定义一个算法骨架&#xff0c;将某些步骤提取到到子类中实现。解决当项目中出现多个处理分支&#xff0c;这几个处理分支有重复步骤的时实现代码的复用和扩展。在这种模式下不用修改逻辑结构&#xff0c;使用…...

编程日记 2025/8/13 17:29:58

C++博客分享

本周的一些 C视频分享, 或许后续会做一些内容总结. 博客 Polymorphic, Defaulted EqualityConstexpr factors_ofC26: Removing language featuresBypassing the branch predictor Meeting C 2024 Clean CMake for C (library) developers - Kerstin KellerAn Introduction …...

编程日记 2025/8/9 15:08:49

Cesium 入门教程（基于 vue3）

目录 Cesium 介绍&#xff1a; 下载 Cesium&#xff0c;2种路径: 下载成功后&#xff0c;创建 vue3 项目&#xff1a; 编写内容 一个“纯”地球 添加图层 坐标系及其数值转换 相机位置及动态交互 添加物体和3维建筑物 Cesium 介绍&#xff1a; Cesium 是一个开源的 JavaScript …...

编程日记 2025/8/12 4:09:04

Power Apps 技术分享：连接SharePoint列表数据源

前言 在使用Power Apps的时候&#xff0c;使用列表作为数据源是非常方便和经济的&#xff0c;列表创建简单&#xff0c;SharePoint的存储也不像Dataverse需要按照容量付费。 正文 1.我们先在SharePoint中建一个列表&#xff0c;添加一些测试数据&#xff0c;如下图&#xff1a;…...

编程日记 2025/8/12 22:26:04

Flutter FloatingActionButton 从核心用法到高级定制

目录 1. 引言 2. FloatingActionButton 的基本用法 3. 主要属性 4. 进阶定制技巧 4.1 扩展型 FAB 4.2 动态变形动画 4.3 多个 FAB 协同 5. 主题与动效集成 5.1 全局主题配置 5.2 平台适配方案 5.3 高级动画控制器 6. 最佳实践 6.1 布局规范 6.2 性能优化 6.3 无…...

编程日记 2025/8/11 12:56:51

42、【OS】【Nuttx】【OSTest】内存监控：堆空间初始化

背景 接上篇blog 41、【OS】【Nuttx】【OSTest】内存监控&#xff1a;堆空间申请 分析了堆空间的申请&#xff0c;下面分析堆管理器如何初始化申请后的堆空间 用户堆空间初始化 回到 umm_initialize 函数&#xff0c;之前 blog 40、【OS】【Nuttx】【OSTest】内存监控&#…...

编程日记 2025/8/13 6:23:02

STM32---FreeRTOS消息队列

一、简介 1、队列简介&#xff1a; 队列&#xff1a;是任务到任务&#xff0c;任务到中断、中断到任务数据交流的一种机制&#xff08;消息传递&#xff09;。 FreeRTOS基于队列&#xff0c;实现了多种功能&#xff0c;其中包括队列集、互斥信号量、计数型信号量、二值信号量…...

编程日记 2025/8/8 22:48:23

Web前端开发——CSS入门

CSS入门 一、CSS是什么&#xff1f;二、CSS的基本语法三、如何使用CSS1. 内联样式2. 内部样式表3. 外部样式表 四、CSS选择器1. 元素选择器2. 类选择器3. ID选择器 五、CSS的常用属性1. 文本样式2. 布局3. 背景 一、CSS是什么&#xff1f; CSS&#xff08;Cascading Style She…...

编程日记 2025/8/7 10:23:25