Qt源码中的设计模式：面向对象设计原则与GoF的23个设计模式

Qt源码的设计优秀程度，相信使用过Qt的程序员都会有所感受。若深入源码去体会，则感受更深。废话不多说，先说目的。笔者希望通过解析Qt框架中使用到的设计模式和面向对象设计原则，让读者包括自己获得两方面的好处：

1. C++程序架构设计能力的提升。解析Qt框架中的设计模式，能够让读者体会到大佬们是如何使用设计模式的，从而领悟设计模式到底怎么用，至少清楚设计模式绝非鸡肋。

2. 精通Qt框架的使用，并且有能力修改Qt源代码。Qt源代码并非毫无漏洞，如果深度使用Qt进行应用软件开发，迟早会遇到Qt中的坑（笔者遇到过早期版本中QSettings类解析ini文件的崩溃问题）。有一些bug在Qt后续版本中已经进行修复，可以通过更新Qt版本进行修复。但如果没有修复，且开发项目中绕不开这个问题，那就是考验程序员水平的时候了。

那么，Qt中如何体现出面向对象设计原则与设计模式？这里先简单总结一下。关于面向对象设计原则：

1. 开闭原则（Open-Closed Principle，OCP）：Qt框架对扩展开放，对修改封闭。例如，QWidget类的paintEvent()方法可以被子类重载，以实现不同的绘制行为，而无需修改QWidget类的源代码。

2. 里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）：Qt框架中的很多类都可以通过继承和多态来实现功能的替换和扩展。例如，QPaintDevice是一个抽象基类，其子类包括QPixmap、QImage、QWidget等，这些子类都可以用来进行绘图，而用户无需关心它们的具体类型。

3. 依赖倒置原则（Dependency Inversion Principle，DIP）：Qt框架中的很多类都依赖于抽象而不是具体实现。例如，QPainter类可以在任何实现了QPaintDevice接口的类上进行绘图，而不是直接依赖于特定的类，如QPixmap或QWidget。

4. 接口隔离原则（Interface Segregation Principle，ISP）：Qt框架将大的接口分解为小的、特定的接口，使得类可以只依赖于需要的接口。例如，QIODevice类有很多子类，如QFile、QBuffer、QTcpSocket等，它们都只实现了与自身功能相关的一部分接口。

5. 单一职责原则（Single Responsibility Principle，SRP）：Qt框架中的每个类都有其单一的职责。例如，QFile类只负责文件的IO操作，而QTextStream类则负责提供文本流的接口，它们的职责清晰、明确。

6. 合成复用原则（Composition over Inheritance，COI）：合成复用原则强调尽量使用组合/聚合关系达到复用的目的，而不是使用继承。因为继承会导致过度耦合，并可能导致设计变得不灵活。QGraphicsProxyWidget作为代理模式中的代理主题时，与QWidget的关系是组合，是一种对代理模式的灵活调整，体现出合成复用原则。

这些原则在Qt框架的设计和实现中起到了关键的作用，使得Qt框架具有良好的可维护性和扩展性。

关于具体的设计模式方面，Qt使用了GoF中一部分的设计模式。从23种设计模式的三大类（创建型模式，结构型模式和行为型模式）角度解析，包括：

1. 创建型模式：

• 工厂方法（Factory Method）：笔者目前没有在Qt中找到明显的工厂方法模式的应用。

• 抽象工厂（Abstract Factory）：笔者目前没有在Qt中找到明显的抽象工厂模式的应用。

• 建造者（Builder）：笔者目前没有在Qt中找到明显的建造者模式的应用。

• 原型（Prototype）：笔者目前没有在Qt中找到明显的原型模式的应用。（其实这玩意和C++中通过复制构造函数实现深拷贝是差不多的）。

• 单例（Singleton）：在Qt中，有些类只允许有一个实例，例如 QApplication。

2. 结构型模式：

• 适配器（Adapter）：笔者目前没有在Qt中找到明显的适配器模式的应用。

• 桥接（Bridge）：在Qt的绘图框架中，QPainter类提供了一个统一的接口，可以在不同的设备上进行绘图。具体解析可参考：Qt源码中的设计模式：绘图系统与桥接模式

• 组合（Composite）：在Qt中，QWidgets可以被组合成复杂的用户界面。参考：Qt源码中的设计模式：对象树机制与组合模式
  

• 装饰（Decorator）：笔者目前没有在Qt中找到明显的装饰器模式的应用。

• 外观（Facade）：Qt的一些高级API，如QMediaPlayer，实际上隐藏了很多底层的复杂性。参考：Qt源码中的设计模式：视频播放器与外观模式

• 享元（Flyweight）：笔者目前没有在Qt中找到明显的享元模式的应用。

• 代理（Proxy）：Qt中模型/视图框架的QSortFilterProxyModel类使用了代理模式。参考：Qt源码中的设计模式：模型/视图框架与代理模式

3. 行为型模式：

• 责任链（Chain of Responsibility）：Qt的事件传递机制使用了责任链模式。参考：Qt源码中的设计模式：事件传播机制与责任链模式

• 命令（Command）：Qt的撤销/重做框架（QUndoStack、QUndoCommand等类）使用了命令模式。参考：Qt源码中的设计模式：撤销/重做框架与命令模式
  

• 解释器（Interpreter）：QRegExp是Qt中解释器模式的一个示例，它解析并匹配正则表达式。

• 迭代器（Iterator）：Qt的容器类（如QList，QVector）提供了迭代器。

• 中介者（Mediator）：笔者目前没有在Qt中找到明显的中介者模式的应用。

• 备忘录（Memento）：Qt的QSessionManager提供了一种方式来保存和恢复应用程序的会话状态。

• 观察者（Observer）：在Qt中，信号和槽的机制是一种特殊的观察者模式。参考：Qt信号槽机制的底层实现是怎样的？与ChatGPT老师促膝而谈

• 状态（State）：Qt的状态机框架（QStateMachine，QState等类）使用了状态模式。

• 策略（Strategy）：Qt的布局管理使用了策略模式。

• 模板方法（Template Method）：Qt的事件处理机制使用了模板方法模式。

• 访问者（Visitor）：笔者目前没有在Qt中找到明显的访问者模式的应用。

关于这些设计模式的具体解析，以及如何在Qt框架中体现，会在后续的文章中逐一分析。读者也可以根据这里提到的大纲，自行挖掘Qt源码中如何使用了这些设计模式，相信会有不少的收获。