d指针在Qt上的应用及实现

Qt为了使其动态库最大程度上实现二进制兼容，引入了d指针的概念。那么为什么d指针能实现二进制兼容呢？为了回答这个问题，首先弄清楚什么是二进制兼容？所谓二进制兼容动态库，指的是一个在老版本库下运行的程序，在不经过编译的情况下，仍然能够在新的版本库下运行；需要经过编译才能在新版本下运行，而不需要修改该程序源代码，我们就说该动态库是源代码兼容的。要使一个dll能达到二进制兼容，对于一个结构，对于一个对象，其数据模型应该不变，若有变动，比如在类中增加数据成员或删除数据成员，其结果肯定影响对象的数据模型，从而导致原有数据程员在对象数据模型里的位移发生变化，这样的话编译后的新版本库很可能使程序发生崩溃，为了使在增加和添加项后不使对象数据模型大小发生变化，一种做法是预先分配若干个保留空间，当要添加项时，使用保留项。如下：

class A {
    
private:
    int a;
    int reserved[3];
};

class B {
private:
    int a;
    quint32 b : 1;
    quint32 reserved : 31;
};

这样的话，当样增加项的时候，只需要利用reserved空间，这样的话，对象模型就不会改变。但是这种做法很呆板，因为你不知道未来到底会有多少扩展项，少了不满足要求，多了浪费空间。那麽有没有一种更灵活的方法呢？如下：

class Data {
public:
    int a;
};

class A {
    
private:
    Data *d_ptr;
};

将A中的成员a放入Data 中，A中放入Data的一个指针，这样的话，无论你向Data中添加多少数据，A的对象模型始终是4个字节的大小（d_ptr指针的大小），这种做法是不是比上面的做法更灵活呢？d_ptr就是我们今天所要说的d指针，Qt为了实现二进制兼容，绝大数类中都包含有这样的指针，下面我们一起来看看Qt的d指针是怎么实现的：

如上图,这个是Qt根结点的指针的一般形式，下面来看看非根结点的一般形式，

注意这里QWidge派生自QObject,它里面没有d_ptr,但是它的成员函数可以访问d_ptr，因为 d_ptr是保护成员，且它的对象模型包含 d_ptr(这是因为派生类继承父类的所有成员)。

下面我们来看看Qt对上述两种情况是怎么实现的：

qobject.h文件：

QObjectData {
public:
    QObject *q_ptr;
    ...
};

class Q_CORE_EXPORT QObject
{
    ...
    Q_DECLARE_PRIVATE(QObject)
public:
    Q_INVOKABLE explicit QObject(QObject *parent=0);
    virtual ~QObject();
    ...

protected:
    QObject(QObjectPrivate &dd, QObject *parent = 0);
    ...    
    
protected:
    QScopedPointer<QObjectData> d_ptr;
    ...
};

如上，在这里我算去了其他的项，只保留了于d_ptr有关的项，首先来看看Q_DECLARE_PRIVATE(QObject)是什么：

#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;

根据宏定义，则Q_DECLARE_PRIVATE(QObject)翻译如下：

inline QObjectPrivate *d_func()
{
    return reinterpret_cast<QObjectPrivate *>(qGetPtrHelper(d_ptr)); 
}
inline const QObjectPrivate *d_func() const
{ 
    return reinterpret_cast<const QObjectPrivate *>(qGetPtrHelper(d_ptr));
}
friend class QObjectPrivate;

再来看看qGetPtrHelper的定义：

template <typename T> static inline T *qGetPtrHelper(T *ptr)
{ 
    return ptr;
}

再来看QScopePointer，它类似于智能指针，这样不用关心 d_ptr的释放，当离开QScopePointer的作用范围，QScopePointer会自动释放d_ptr指向的堆内存，那麽这个指针是什么时候生成的呢？q_ptr又是什么时候赋值的呢？让我们来看看qobject.cpp的实现：

QObject::QObject(QObject *parent)
    : d_ptr(new QObjectPrivate)
{
    Q_D(QObject);
    d_ptr->q_ptr = this;
    ...
}

QObject::QObject(QObjectPrivate &dd, QObject *parent)
    : d_ptr(&dd)
{
    Q_D(QObject);
    d_ptr->q_ptr = this;
    ...
}

我们看第一个构造函数，对于根结点的d_ptr指向new QObjectPrivate，而QObjectPrivate派生自QObjectData，那麽Q_D(QObject)宏表示什么意思呢？

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

Q_D(QObject)；翻译如下：

QObjectPrivate * const d = d_func();

不难看出Q_D(QObject)；定义了一个QObjectPrivate的常量指针，指向d_func() 的返回值，而该返回值，正是d_ptr（见头文件 d_func()的定义），因此同过Q_D宏我们就可以访问d指针了。

对于第二个构造函数稍后介绍，下面来看看非根结点的d_ptr的实现情况：

头文件：

class Q_CORE_EXPORT QObjectPrivate : public QObjectData
{
    Q_DECLARE_PUBLIC(QObject)
    ...
};

class Q_GUI_EXPORT QWidgetPrivate : public QObjectPrivate
{
    Q_DECLARE_PUBLIC(QWidget)
    ...
};

class Q_GUI_EXPORT QWidget : public QObject
{
    ...
    Q_DECLARE_PRIVATE(QWidget)
    ...
public:
    ...
    explicit QWidget(QWidget* parent = 0, Qt::WindowFlags f = 0);
    ...
};

我们首先来看看Q_DECLARE_PUBLIC宏：

#define Q_DECLARE_PUBLIC(Class)                                    \
    inline Class* q_func() { return static_cast<Class *>(q_ptr); } \
    inline const Class* q_func() const { return static_cast<const Class *>(q_ptr); } \
    friend class Class;

根据宏定义，Q_DECLARE_PUBLIC(QObject)翻译如下：

inline QObject *q_func()
{ 
    return static_cast<QObject *>(q_ptr);
} 
inline const QObject *q_func() const 
{ 
    return static_cast<const QObject *>(q_ptr);
} 
friend class QObject;

Q_DECLARE_PUBLIC(QWidget)翻译如下：

inline QWidget *q_func()
{ 
    return static_cast<QWidget *>(q_ptr);
} 
inline const QWidget *q_func() const 
{ 
    return static_cast<const QWidget *>(q_ptr);
} 
friend class QWidget;

注意这里的q_ptr是在QObjectData里公有声明的，QObjectPrivate,QWidgetPrivate都派生或间接派生自QObjectData,所以可以访问q_ptr。

接下来看Q_DECLARE_PRIVATE(QWidget)的翻译：

inline QWidgetPrivate *d_func()
{
    return reinterpret_cast<QWidgetPrivate *>(qGetPtrHelper(d_ptr)); 
}
inline const QWidgetPrivate *d_func() const
{ 
    return reinterpret_cast<const QWidgetPrivate *>(qGetPtrHelper(d_ptr));
}
friend class QWidgetPrivate;

接下来看看QWidget的构造函数的实现：

QWidget::QWidget(QWidget *parent, Qt::WindowFlags f)
    : QObject(*new QWidgetPrivate, 0)
{
    ...
}

看到QObject(*new QwidgetPrivate, 0)这里调用了QObject的第二个构造函数，将d_ptr指向new QWidgetPrivate所指向的堆内存。