Jserv's blog: Design Patterns in Qt

December 19, 2006

Design Patterns in Qt

這是我在接近五年前的翻譯短文，因為有網友來信指教，我決定整理一份 web 版本，首次發表於 SayYa BBS 站。

Published on The O'Reilly Network (http://www.oreillynet.com/) http://www.oreillynet.com/pub/a/onlamp/2002/01/10/designqt.html

Design Patterns in Qt
by Matthias Kalle Dalheimer, author of Programming with Qt, 2nd Edition
01/10/2002

繁體中文翻譯與修正潤飾：Jim Huang (黃敬群 / jserv)
Jan 18, 2002

所謂的 GoF 書《Design Patterns》(GoF 指由作者群 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson，以及 John Vlissides 等「四人幫」) 對軟體工程發展具有相當的影響力，也因此，每個程式設計師都閱讀過這本大作，或至少宣稱閱讀過了。在本文，我將會探索在 Qt 程式設計中，Design Patterns 是如何應用的。

Design Patterns 是個與語言無關的描述一而再、再而三在程式設計中出現的慣用樣式 (Patterns)。其實沒有什麼新東西，Patterns 已經在這幾十年間被採用，但是 GoF 書則是大力強調如何描述 pattern 的標準化、給予常用的 pattern 命名，以便全世界的程式設計師都可以查閱，並且，最後開創讓開發者可以識別新 pattern 與彼此分享的新運動。這些命名已經在開發者間相當的普遍，以致於我們常常可以在雜誌看到如「如何以某個程式語言來實作 Observer」這類的專欄 -- 這意味著沒有必要額外去解釋 Observer 是一種在 GoF 書中規範的 patterns 的名稱。

先讓我們此時保留 pattern 的議題，轉向去思考完全不一樣的東西：C++ GUI toolkit Qt。Qt 是由挪威的 Trolltech 公司發展，在 Windows 與眾多 Unix 平台上都可運行 (也有 Apple Mac 的版本)。Qt 依循 single-source 典範 (paradigm)：一個由 Qt 撰寫的程式碼，可以在任何所支援的平台上被編譯與執行，而不需要修改原始程式碼。當然，在現實上，由於編譯器或開發平台本身的問題 (例如在 Win32 下需要更改 Make rules)，可能需要小幅度的更改，而且如果你想保持與平台無關的特性，也不能直接使用任何原生 (native) 的 API 功能呼叫。然而，Qt 仍然是個協助開發展撰寫可移植性 (portable) 軟體的良好工具。近年來，Qt 已經因為創造 KDE 這個 Unix 系統下免費而強大的桌面環境，而大獲好評。 Qt 擁有可擴充的參考文件，而程式設計師的參考手冊與開發資訊可透過我在 O'Reilly 出版的書籍《Programming with Qt, 2nd Edition》。

實地開發 Qt 程式時，你應該會遵循部份在 GoF 書中描述的 patterns，即使程式碼看起來可能與書中所示的不同。在這裡，我們將探討在 Qt 程式碼中常見的兩個 Patterns 並試圖找出對應於 GoF 書中的 Patterns。

Qt 擁有獨特的 signal & slot 概念，這是一個允許以軟體元件 (component) 為基礎程式設計的系統：軟體元件可以定義可以在某些狀況下發出 (emit) 的 signal 以及伴隨定義的參數，同時，軟體元件可以定義如同正常 C++ method、但卻由前置處理器所偽裝的 slot。signal 與 slot 在執行時期可以藉由 QObject::connect() 來作聯繫，而這 QObject 正是 Qt 的中樞。

讓我們看看這個小範例。典型的情況是提供一個 Push Button (像是 "OK" 這樣的標示) 等待按鍵以結束這個對話框 (dialog)。經過查閱 Qt 參考文件後，我們可以發現有 class QPushButton 與一個在被按下時會觸發的 clicked() signal。同時， class QDialog 擁有一個關閉對話框的 accept() / reject() slot。為了讓這兩者產生關聯，可以使用底下的程式碼：

  QObject::connect( myPushButton,
                    SIGNAL( clicked() ),
                    myDialog,
                    SLOT( accept() ) );

這意味著，當 push button 被按下時 (因此觸發 clicked() signal)，對話框的 slot accept() 就會被呼叫 (對話框因而被關閉)，至於這動作是如何發生的，在 Qt 文件裡詳細的描述過，不在本篇文章討論的範圍。

現在，我們回到 patterns 的討論議題上，在 GoF 書上描述一個稱作 Mediator* 的物件行為模式 (object-behavioral pattern) 如下：

這邊使用的例子正與 GoF 書中舉的 GUI 系統的對話框一樣，在書中介紹的 mediator 物件負責指揮協調在對話框中的一群物件，像是按鈕、選單、文字輸入欄，之間的互動，避免相互指涉；這群物件只認得 mediator，因此可降低互連數目。這正是我們在 Qt 所具有的特徵： QObject class 扮演著任何需要協調物件的仲裁者。在 GoF Mediator pattern 也引入 Colleagues class，當 Colleague 物件想與其他 Colleague 通訊時，得透過 Mediator 來間接進行，而在 Qt 中，這些可以是直接或間接繼承於 QObject 的 class，並且因此獲有 signal/slot 機制。

需要留意的是，GoF Mediator pattern 假設每個 Colleague 類別都知道他的 Mediator 物件，但這對 Qt 來說並非必要的，因此，Qt 能夠提供耦合性更低的途徑。當然，在 Qt 裡也是可以遵循原本 Mediator pattern，只需要透過建立特殊的 Mediator class -- 在其 constructor 中設定所有 Qt connection (譯註：此乃 Qt 程式設計之術語，表示兩個物件之間低耦合的鍵結行為，為避免用詞混淆，這裡保留原文) 並且在 destructor 中把 Colleague 的 connection 取消。

[譯注] 簡單的互動圖用來說明以上行為：

signal/slot 機制也是另一個 GoF pattern 的例證，Observer pattern，描述如下：

定義一對多的物件依存關係，讓物件狀態一有變動，就自動通知其他相依物件，以作對應的更新動作。我們可以考慮如此的狀況：每個 Qt signal 可能被多個 slot 所連結 (也可能是全部都沒有)，而每個 slot 也可能被許多 signal 所連結，所以，我們實際上擁有一個多對多的相依性存在，but one that is much easier to maintain that typical many-to-many-dependencies that involve direct invocations. (不知道要如何表達這種感覺，所以保留原文)

就剛剛的範例來說，咱們再度回顧對話框。按下 OK button 的動作常常不只是關閉對話框，而且還會依據對話欄內變更值，作應用程式狀態的更新 (但是 Cancel button 就只有關閉對話框的動作)。也有可能直接在對話框內作更新 (典型的例子是在使用者自訂的 slot)，有時候我們比較偏好讓應用程式自己更新，以避免暴露過多關於對話框的內部資料結構。(換句話說，這意味著對話框的結構必須暴露與開放給應用程式，這種是需要取捨 [譯註：考慮便利性與物件封裝性]) 更新的過程可在使用者定義的 slot 中完成，這裡，我們姑且稱為 updateState()，然後我們會參照 push button 的 clicked() signal (譯註：當然我們忽略底層視窗系統是如何轉送視窗與滑鼠事件，總之，我們可假設 Qt 會自動將底層事件觸發時，會分類並遞送 clicked() "signal" 表示如此的事件) 來建立以下兩個 connection：

  QObject::connect( myPushButton,
                    SIGNAL( clicked() ),
                    myDialog,
                    SLOT( accept() ) );

  QObject::connect( myPushButton,
                    SIGNAL( clicked() ),
                    myApplication,
                    SLOT( updateState() ) );

於是，這邊就有兩個物件：對話框物件與應用程式物件，這兩者都在觀察 (observing) button 的按擊。

[譯注] 上述的模型可以表示如下圖：

同樣的，你將可以在 Qt 程式設計內發現 GoF patterns，如 Singleton、Iterator、 Command，以及 Flyweight。
[譯註] 這篇文章是很好的出發點，若讀者覺得意猶未竟，可參閱 Bruce Perens' Open Source Series 出版的經典著作《An Introduction to Design Patterns in C++ with Qt 4》，探討最新的 Qt 4.x 核心設計中，涵蓋多少典型的 Design Patterns，同時該書也有一份 wiki [OopDocbookWiki]。

To conclude, the Design Patterns described in the GoF book also apply to Qt programming, which should not be surprising, given that Qt follows good software engineering practice--sometimes with an unusual syntax.

Matthias Kalle Dalheimer works as an independent author, translator and software consultant in Northern Germany, where he lives in a tiny village with his wife and son.

O'Reilly & Associates will soon release (January 2001) Programming with Qt, 2nd Edition.

oreillynet.com Copyright 2000 O'Reilly & Associates, Inc.

短文至此，也讓我想到翻譯前幾天，曾寫下以下札記：

Patterns in Qt?!

補充：

由 jserv 發表於 December 19, 2006 10:48 AM

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http://cartan.cas.suffolk.edu/moin/OopDocbookWiki
An Introduction to Design Patterns in C++ with Qt 4
这本应该是讲得比较详细了。听说大陆的清华大学出版社已经组织翻译了。

由 Cavendish Qi 發表於 December 19, 2006 08:46 PM

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