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襁褓中的系统界面

是否还记得在开始的时候我们说过:

  • 给我一个 QPainter,我也能实现整个操作系统的图形界面
  • 操作系统的界面本质也是画(Hua)出来的
  • 图形界面的本质都是一样的,就是一张静态的画
  • 点击按钮,看到按钮动了

这里我们就用 QPainter 绘图来模拟实现一个系统的界面原型,为了简单说明问题,只绘制了 Button 和 CheckBox,其他的控件同理。当然 Button 是能够点击的,点击 CheckBox 也能够切换选中状态,没有点击到 Button 和 CheckBox 的时候它们不会接收到鼠标事件,点击一个控件也不会影响另一个控件,效果如下图:

Widget

Widget 是所有控件的所有控件的父类,实现控件共有的逻辑,Button 和 CheckBox 是具体的控件,不同控件的行为和样式都不一样,都需要在自己的类中实现。

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// 文件名: Widget.h
#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H
#include <QRect>
class QPainter;
/**
* 控件的基类 Widget,所有控件类都需要直接或者间接的继承类 Widget,它处理控件类的一些共有的逻辑。
*/
class Widget {
public:
Widget(const QRect &boundingRect);
// 绘制控件的函数,不同的控件提供不同的实现,绘制出不同的样子。
// paint() 是纯虚函数,控件子类必须提供它的实现。
virtual void paint(QPainter *painter) = 0;
// 一下几个为鼠标事件
virtual void mouseMove(); // 鼠标移动事件
virtual void mouseEnter(); // 鼠标进入事件
virtual void mouseLeave(); // 鼠标离开事件
virtual void mousePressed(); // 鼠标按下事件
virtual void mouseReleased(); // 鼠标按下后松开事件
bool hover; // 鼠标移动到 widget 上时为 true,其他时候为 false
bool pressed; // 鼠标在按住 widget 时为 true,其他时候为 false
QRect boundingRect; // Widget 的范围: 左上角的坐标和宽、高
};
#endif // WIDGET_H
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// 文件名: Widget.cpp
#include "Widget.h"
Widget::Widget(const QRect &boundingRect)
: hover(false), pressed(false), boundingRect(boundingRect) {
}
void Widget::mouseMove() {
}
void Widget::mouseEnter() {
hover = true;
}
void Widget::mouseLeave() {
hover = false;
}
void Widget::mousePressed() {
pressed = true;
}
void Widget::mouseReleased() {
pressed = false;
}

Button

下面的代码只做出了鼠标移动到 Button 上,鼠标点击时的不同高亮效果,点击 Button 时没有发射 clicked() 事件。

如果需要实现点击时发射 clicked() 信号也容易,鼠标事件的时候把鼠标的坐标发送给 Button,在 mouseReleased() 事件发生时如果鼠标仍然在 Button 上,发射 clicked() 信号即可,和这个信号关联的槽函数就能被调用了,实现点击的事件处理。传递坐标的时候最好把 parent 的坐标映射为 child 的坐标,即 parent 的坐标减去 Button 在 parent 中左上角的坐标即可。

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// 文件名: Button.h
#ifndef BUTTON_H
#define BUTTON_H
#include "Widget.h"
#include <QRect>
#include <QColor>
#include <QPainter>
/**
* 按钮类,可以定义按钮的背景色,鼠标放在它上面时的背景色以及鼠标按下时的背景色等。
*/
class Button : public Widget {
public:
Button(const QString &text, const QRect &boundingRect = QRect(0, 0, 100, 25),
const QColor &normalBackgroundColor = QColor(200, 200, 200),
const QColor &hoverBackgroundColor = QColor(200, 0, 200),
const QColor &pressedBackgroundColor = QColor(0, 200, 200));
void paint(QPainter *painter) Q_DECL_OVERRIDE;
QString text; // 按钮的文本
QColor normalBackgroundColor; // 背景色
QColor hoverBackgroundColor; // 鼠标放到按钮上的背景色
QColor pressedBackgroundColor; // 鼠标按下按钮的背景色
};
#endif // BUTTON_H
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// 文件名: Button.cpp
#include "Button.h"
Button::Button(const QString &text, const QRect &boundingRect,
const QColor &normalBackgroundColor,
const QColor &hoverBackgroundColor,
const QColor &pressedBackgroundColor)
: Widget(boundingRect), text(text),
normalBackgroundColor(normalBackgroundColor),
hoverBackgroundColor(hoverBackgroundColor),
pressedBackgroundColor(pressedBackgroundColor) {
}
void Button::paint(QPainter *painter) {
QColor backgroundColor; // 按钮的背景色
if (pressed) {
backgroundColor = pressedBackgroundColor;
} else if (hover) {
backgroundColor = hoverBackgroundColor;
} else {
backgroundColor = normalBackgroundColor;
}
// 先绘制按钮的背景,然后居中绘制按钮的文本
painter->setBrush(QBrush(backgroundColor));
painter->drawRoundedRect(boundingRect, 2, 2);
painter->drawText(boundingRect, Qt::AlignCenter, text);
}

CheckBox

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// 文件名: CheckBox.h
#ifndef CHECKBOX_H
#define CHECKBOX_H
#include "Widget.h"
#include <QString>
#include <QRect>
class QPainter;
/**
* CheckBox 类,有选中和未被选中状态。
*/
class CheckBox : public Widget {
public:
CheckBox(const QString &text, bool checked = true, const QRect &boundingRect = QRect(0, 0, 100, 25));
void paint(QPainter *painter) Q_DECL_OVERRIDE;
void mousePressed() Q_DECL_OVERRIDE;
bool checked; // 选中时为 true,否则为 false
QString text; // CheckBox 的文本
};
#endif // CHECKBOX_H
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// 文件名: CheckBox.cpp
#include "CheckBox.h"
#include <QPainter>
CheckBox::CheckBox(const QString &text, bool checked, const QRect &boundingRect)
: Widget(boundingRect), checked(checked), text(text) {
}
void CheckBox::paint(QPainter *painter) {
painter->translate(boundingRect.x(), boundingRect.y());
int w = boundingRect.width();
int h = boundingRect.height();
// 绘制 Indicator 的边框
painter->setPen(QPen(Qt::darkGray, 2));
painter->drawRect(0, 0, h, h);
// 选中时,Indicator 内部绘制一个勾
if (checked) {
painter->setPen(QPen(Qt::darkGray, 3, Qt::SolidLine, Qt::RoundCap));
painter->drawLine(h*0.2, h*0.5, h*0.4, h*0.75);
painter->drawLine(h*0.4, h*0.75, h*0.9, h*0.3);
}
// 绘制 CheckBox 的文本
painter->setPen(Qt::black);
painter->drawText(h+10, 0, w-h-10, h, Qt::AlignLeft|Qt::AlignVCenter, text);
}
void CheckBox::mousePressed() {
checked = !checked; // 鼠标按下时切换选中状态
// 可以发射 statusChanged 信号
}

OSUi

OSUi 就假设是操作系统的界面吧,各种控件都是放置在它的上面,当 OSUi 接收到鼠标事件后,会查找此时鼠标在哪个控件上,然后就把鼠标事件传递给对应的控件,然后控件对此鼠标事件作出自己特有的响应。

因为所有的控件都继承自 Widget,所以用一个 List 保存了所有控件的指针,paintEvent() 更新界面时调 Widget::paint() 把所有的控件都重新绘制一次,需要注意的是每个 Widget::paint() 调用的时候,都需要保存一下 QPainter 的状态,绘制完后恢复,避免不同的控件使用 QPainter 后影响到其他控件的绘制。

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// 文件名: OSUi.h
#ifndef OSUI_H
#define OSUI_H
#include <QWidget>
#include <QList>
class Widget;
/**
* 操作系统的界面,在它的上面放置各种控件。
*/
class OSUi : public QWidget {
Q_OBJECT
public:
explicit OSUi(QWidget *parent = 0);
~OSUi();
protected:
void paintEvent(QPaintEvent *event) Q_DECL_OVERRIDE;
void mouseMoveEvent(QMouseEvent *event) Q_DECL_OVERRIDE;
void mousePressEvent(QMouseEvent *event) Q_DECL_OVERRIDE;
void mouseReleaseEvent(QMouseEvent *event) Q_DECL_OVERRIDE;
private:
QList<Widget*> widgets; // 界面上所有的控件的集合
};
#endif // OSUI_H
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// 文件名: OSUi.cpp
#include "OSUi.h"
#include "Button.h"
#include "CheckBox.h"
#include <QRect>
#include <QPainter>
#include <QMouseEvent>
OSUi::OSUi(QWidget *parent) : QWidget(parent) {
setMouseTracking(true);
// 创建界面上的所有控件
widgets << new Button("按钮一", QRect(20, 20, 100, 25))
<< new Button("按钮二", QRect(20, 70, 100, 25), QColor(200, 200, 200), QColor(200, 200, 0), QColor(0, 200, 0))
<< new CheckBox("生杀大权在你手里", true, QRect(150, 50, 150, 25));
}
OSUi::~OSUi() {
qDeleteAll(widgets);
}
void OSUi::paintEvent(QPaintEvent *) {
QPainter painter(this);
painter.setRenderHint(QPainter::Antialiasing, true);
// 每次更新都需要绘制所有的控件
foreach (Widget *w, widgets) {
painter.save();
w->paint(&painter);
painter.restore();
}
}
void OSUi::mouseMoveEvent(QMouseEvent *event) {
foreach (Widget *w, widgets) {
if (w->boundingRect.contains(event->pos())) {
w->mouseMove();
// 当鼠标在 widget 上移动时,如果 widget 的 hover 为 false,则触发一次 mouseEnter 事件,告知鼠标进入它了
if (!w->hover) {
w->mouseEnter();
}
} else {
// 当鼠标不在 widget 上移动时,如果 widget 的 hover 为 true,则触发一次 mouseLeave 事件,告知鼠标已经离开它了
if (w->hover) {
w->mouseLeave();
}
}
}
update();
}
void OSUi::mousePressEvent(QMouseEvent *event) {
foreach (Widget *w, widgets) {
if (w->boundingRect.contains(event->pos())) {
w->mousePressed();
}
}
update();
}
void OSUi::mouseReleaseEvent(QMouseEvent *) {
foreach (Widget *w, widgets) {
if (w->pressed) {
w->mouseReleased();
}
}
update();
}

main

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#include <QApplication>
#include "AppWidget.h"
int main(int argc, char *argv[]) {
QApplication a(argc, argv);
AppWidget w;
w.show();
return a.exec();
}

思考

  1. 上面的程序只绘制了 Button 和 CheckBox,只是最最简单的控件,绘制复杂控件例如 Table 应该要怎么做呢?当需要的控件都一个一个地加入到这个系统里,并能够进行相应的事件响应,我们就创造了一个系统的界面。
  2. 更新的时候把所有的控件都绘制了一遍,如果控件很多时效率是不是很低?如果能够只绘制状态改变了的控件是不是就更好了?要实现好这样的算法应该不容易,会涉及到重叠绘制。
  3. 鼠标事件发生时选择控件也是遍历了所有的控件,Qt Graphics/View 框架使用 binary space partition 算法来选择控件,大幅的提升了效率,所以它能够高效的处理上百万个图元。
  4. 如果控件放在了界面上不可见的地方,是不是就不需要绘制出来了呢?
  5. 怎么实现像 QPushButton 的 clicked 信号,响应点击事件?
  6. 鼠标事件处理的时候没有把鼠标的坐标信息传给 Widget。
  7. 如果多个控件重叠到一起,鼠标移动到它们上时,它们都应该做出响应还是只有最上面那个作出响应?可以参考 QGraphicsItem 的 zValue。

还有太多太多的问题,这里就不一一列举了,说了这么多,只是希望大家能够理解系统界面的本质画出来的,不要感觉很神秘,大道至简。

当然道理很简单,但要做好绝不是简单的事,就像原子弹的原理很简单一样:把两块或几块较小的铀的同位素铀-235放进弹头里,周围用黄色炸药包围,只要先引爆炸药,强迫几块较小的铀燃料合并成一块大的,使铀达到可与中子进行链式核反应的程度,就能够引起核爆炸。世界上只有几个有限的国家能够制造原子弹,不是其他国家不知道原理,而是制造工艺跟不上,这就和我们知道了系统界面的原理一个样,但是做不出一个好用的来,原因是各种处理的算法跟不上。