Qt底层原理：深入解析QWidget的绘制技术细节(1)

在Qt5中，QWidget的绘制流程比较分散，网上介绍的文章也很少，因此写一篇文章总结记录一下这部分的知识点。

笔者使用的是Qt5.15.2的源码。

基本的绘制流程：从update到合成

更新请求（Invalidate）:
当一个QWidget需要被重绘时（比如大小改变、数据更新等），会调用update()方法来标记该widget为需要重绘。update一般会到repaintManager->markDirty，如果当前正在绘制，则通过事件QUpdateLaterEvent进行重绘。这部分逻辑代码如下：
重绘区域计算（Dirty Region Calculation）:
- Qt有一个优化机制，它会合并多个重绘请求以减少重绘的次数和区域。重绘区域的计算由Qt的QWidgetRepaintManager负责，该系统维护了一个脏区域（dirty regions），这是所有需要重绘的区域的集合。主要逻辑在QWidgetRepaintManager::markDirty。这部分逻辑稍微复杂，但不是重点，感兴趣的读者可以自行翻阅源码，此处不再列出。
事件处理（Event Processing）:
- 在QWidgetRepaintManager::sendUpdateRequest，会生成一个QEvent::UpdateRequest的事件，即使指定了UpdateNow，也会根据这次更新是否距离上次更新大于60fps而降低这次绘制的优先级。这部分逻辑代码如下：
事件循环（Event Loop）:
Qt的事件循环在QCoreApplication::exec()调用后运行，负责处理事件队列中的事件。对于绘制事件，事件循环会传递给QWidget的event()方法。这部分不是本文章重点，不列出详细细节。
事件处理（Event Handling）:
QWidget的event()方法会检查事件的类型。如果是绘制事件QEvent::UpdateRequest或者QEvent::UpdateLater，会转调到QWidgetPrivate::paintOnScreen函数，接着使用QWidgetRepaintManager类提供的功能，转调到每个Widget::paintEvent函数。这部分逻辑代码如下：
绘制逻辑paintAndFlush：这部分是本文的重点，也比较复杂，在后文详细展开。
绘制（Painting）:
在paintEvent()方法中，一般使用QPainter对象，它是Qt中负责绘制的类。QPainter可以绘制各种图形元素，如文本、线条、形状等。
绘图设备（Paint Device）:
QPainter对象会被绑定到一个绘图设备（QPaintDevice），比如QWidget本身，或者一个QPixmap、QImage、QPicture等。QWidget通过其paintEngine()方法提供了一个QPaintEngine对象，这是实际进行绘制操作的底层接口。
绘图引擎（Paint Engine）:
QPaintEngine是一个抽象基类，它定义了绘图操作的接口。Qt提供了多种绘图引擎，比如QRasterPaintEngine、QOpenGLPaintEngine等，具体使用哪个引擎取决于QWidget的绘制设备以及平台特性。

在源代码层面，以下是几个关键类和它们在绘制流程中的作用：

QWidget: 作为所有UI组件的基类，管理绘制和事件。
QPaintEvent: 继承自QEvent，封装了绘制事件的信息。
QPainter: 提供了一组API来执行绘制操作。
QPaintDevice: 是一个抽象类，QWidget和其他一些类比如QImage、QPixmap都是这个类的子类，用于表示可以被绘制的对象。
QPaintEngine: 抽象基类，定义了底层绘图操作的接口。
QWidgetRepaintManager：主要绘制流程的管理类。

Qt提供了QWidget::setUpdatesEnabled()方法，允许开发者禁用或启用控件的更新。这可以用来在批量修改控件时暂时禁用更新，以避免不必要的重绘。

例如，QPushButton的paintEvent堆栈如下：在这里插入图片描述

绘制半透明的控件：父子Widget绘制细节

在Qt中，重绘一个子控件默认不会导致父控件重绘。但是，如果子控件是半透明的（具有alpha通道不是完全不透明的颜色），那么会导致父控件重绘内容作为背景来正确地绘制子控件。
这部分的逻辑比较复杂，核心逻辑在QWidgetRepaintManager::paintAndFlush里，这个函数的源码不在此贴出，但是分析这个函数内部的主要逻辑。

QWidgetRepaintManager::paintAndFlush

QWidgetRepaintManager::paintAndFlush 这个函数的逻辑，具体可以分解为以下步骤：

检查更新是否被禁用：
如果 QWidget 的 updatesEnabled 属性为 false，则不进行任何绘制操作。
检查并更新脏区域：
如果窗口的大小已更改，并且更新没有被禁用，函数会检查是否有静态内容（不需要重绘的部分）。如果有，它会只将新可见的部分添加到脏区域；否则，它会标记整个窗口为需要重绘。
调整后台存储的大小：
如果后台存储（store）的大小与窗口大小不一致，它会被调整以匹配窗口的大小。
绘制和清理脏区域：
函数创建一个包含所有需要重绘的区域的 QRegion 对象。然后它遍历所有标记为脏的控件，并根据是否有透明的重叠兄弟控件，将其分为可直接绘制和需要合成的控件。
处理特殊的绘制情况：
对于具有 render-to-texture 特性的控件（如 OpenGL 小部件），它们会被特别处理，因为它们的绘制可以直接在纹理上完成，不需要经过常规的后台存储绘制过程。
发送绘制事件：
遍历所有需要绘制的控件，并为它们发送 QPaintEvent 事件。这些事件触发控件的 paintEvent 方法，从而完成实际的绘制工作。
绘制不透明的非重叠控件：
直接在后台存储上绘制那些不透明且没有被兄弟控件重叠的控件。
合成：
如果需要，将所有剩余的控件绘制到后台存储上，并处理任何必要的合成操作，以确保正确的层叠和透明度效果。
结束绘制：
调用 store->endPaint() 表示绘制操作的结束。
刷新：
将后台存储的内容刷新到屏幕上。如果启用了双缓冲，这将涉及到将后台缓冲区的内容复制到前台缓冲区，并在适当的时间将其展示到屏幕上。

这个函数体现了 Qt 绘制的一些核心概念，包括脏区域管理、后台存储、控件的绘制事件、以及绘图设备和绘图引擎的使用。所有的绘制操作都是在主线程中进行的，即使是那些涉及 OpenGL 或其他渲染技术的绘制也不例外。

QWidgetPrivate::drawWidget

QWidgetRepaintManager::paintAndFlush在顶层处理主要的绘制流程，除了这个函数，QWidgetPrivate::drawWidget 函数也包含大量绘制流程的实现细节，这个函数作为第二层处理绘制细节。同样地，这个函数的源码不在此贴出，但是总结这个函数内部的主要流程：

QWidgetPrivate::drawWidget 函数是一个内部函数，用于在给定的绘制设备（pdev）上绘制一个控件及其子控件。这个函数处理了许多绘制相关的细节，包括处理图形效果、设置裁剪区域、绘制背景以及发送绘制事件。以下是函数的主要逻辑步骤：

检查是否有内容需要绘制：
如果传入的区域（rgn）为空，则没有内容需要绘制，函数立即返回。
记录绘制操作的日志信息：
使用 qCInfo 记录绘制区域、控件、偏移量、目标绘制设备以及标志。
处理图形效果：
如果控件有启用的图形效果，那么绘制流程会交给图形效果处理器。它可能会修改绘制的方式，例如添加阴影或模糊效果。
计算需要绘制的区域：
根据控件的属性和标志计算出实际需要绘制的区域（toBePainted）。可能会考虑是否绘制根控件、是否绘制到屏幕上、是否递归绘制子控件以及是否绘制不可见控件。
预处理绘制设备：
设置或重定向绘制目标，并设置系统裁剪区域。
绘制背景：
如果需要，绘制控件的背景。这可能涉及到自动填充背景、绘制不透明的绘制事件或处理窗口系统背景。
处理渲染到纹理的控件：
如果控件渲染到纹理（例如使用 OpenGL），则相应地处理，可能是通过绘制一个透明矩形来为纹理"打孔"，或者将纹理复制到屏幕上。
发送绘制事件：
如果没有跳过绘制事件，发送一个 QPaintEvent 给控件，这将触发控件的 paintEvent 方法。
标记需要刷新：
如果有 repaintManager，则调用 markNeedsFlush 来标记区域为需要刷新。
恢复状态：
恢复重定向的绘制设备和系统裁剪区域到原始状态，并清除激活状态的绘制标志。
递归绘制子控件：
如果设置了递归标志并且控件有子控件，递归地绘制这些子控件。

整个函数的逻辑很大程度上是关于准备好绘制上下文，然后根据需要绘制控件本身或者委托给图形效果和子控件的绘制。这个函数是 Qt 控件绘制流程中的核心部分，它确保了控件及其子控件能够正确地在屏幕上渲染。

总体而言，Qt体系的绘制实现基本可以在这两个函数中体现出来。相关的数据结构和逻辑也逃不出QWidgetRepaintManager与QWidgetPrivate，感兴趣的读者可以深入了解这两个类。

如何判断一个Widget是否半透明？

核心在这个函数里：

void QWidgetPrivate::updateIsOpaque()
{
    // hw: todo: only needed if opacity actually changed
    setDirtyOpaqueRegion();

#if QT_CONFIG(graphicseffect)
    if (graphicsEffect) {
        // ### We should probably add QGraphicsEffect::isOpaque at some point.
        setOpaque(false);
        return;
    }
#endif // QT_CONFIG(graphicseffect)

    Q_Q(QWidget);
    if (q->testAttribute(Qt::WA_OpaquePaintEvent) || q->testAttribute(Qt::WA_PaintOnScreen)) {
        setOpaque(true);
        return;
    }

    const QPalette &pal = q->palette();

    if (q->autoFillBackground()) {
        const QBrush &autoFillBrush = pal.brush(q->backgroundRole());
        if (autoFillBrush.style() != Qt::NoBrush && autoFillBrush.isOpaque()) {
            setOpaque(true);
            return;
        }
    }

    if (q->isWindow() && !q->testAttribute(Qt::WA_NoSystemBackground)) {
        const QBrush &windowBrush = q->palette().brush(QPalette::Window);
        if (windowBrush.style() != Qt::NoBrush && windowBrush.isOpaque()) {
            setOpaque(true);
            return;
        }
    }
    setOpaque(false);
}

QWidgetPrivate::updateIsOpaque 函数的工作流程如下：

设置脏不透明区域：
调用 setDirtyOpaqueRegion 方法，这通常意味着标记控件的不透明区域需要更新。这个区域是指控件中不需要考虑透明度处理的部分。
检查是否有图形效果：
如果控件应用了 QGraphicsEffect，函数立即将控件标记为非不透明（因为图形效果可能会引入透明度），然后返回。图形效果可能包括模糊、阴影等，这些都可能改变控件的不透明度。
检查控件属性：
函数检查控件是否具有 Qt::WA_OpaquePaintEvent 或 Qt::WA_PaintOnScreen 属性。这些属性通常由开发者设置，用来指示控件的绘制事件是不透明的，或者控件直接在屏幕上绘制。如果有任何一个属性被设置，函数将控件标记为不透明并返回。
检查自动填充背景：
如果控件的 autoFillBackground 属性为真，表示控件在绘制前会自动用背景色填充。函数会检查用于自动填充的画刷是否不透明。如果是，控件被标记为不透明。
检查窗口属性：
如果控件是一个窗口，并且没有设置 Qt::WA_NoSystemBackground 属性（这意味着窗口系统不会自动填充背景），函数会检查窗口背景画刷是否不透明。如果是，窗口被标记为不透明。
设置为非不透明：
如果之前的检查都没有导致函数返回，最后将控件标记为非不透明。

在大型复杂界面中和性能敏感的应用中，我们要避免过多的不透明控件可以减少绘制负担。

绘制逻辑的复用：标准控件绘制与QStyle的细节

在Qt中，QStyle类负责控件的外观和行为。这包括控件的绘制（如按钮、滑块、复选框等），以及控件的尺寸、布局和交互行为（如鼠标悬停、按下状态的视觉反馈）。QStyle提供了一种机制，通过它可以统一控制应用程序中所有控件的外观，而无需在每个控件的绘制逻辑中单独实现这些。

QStyle是一个抽象基类，它定义了一套API，用于绘制标准的GUI组件以及获取与风格相关的属性和尺寸信息。Qt自带了几种风格，如QWindowsStyle、QMacStyle、QFusionStyle等，它们实现了在不同平台下的本地外观和行为。可以通过继承QStyle来创建自定义风格。

绘制标准控件

当一个标准控件（例如QPushButton）需要被绘制时，它会调用其paintEvent()函数。在paintEvent()中，控件通常不直接进行绘制，而是将绘制任务委托给当前的QStyle对象。这是通过调用style()方法来获取当前应用程序风格，然后使用QStyle的绘制函数来完成的。

例如，一个按钮会这样使用QStyle来进行绘制：
在这里插入图片描述
这里，QStylePainter是QPainter的一个特殊版本，专门用于风格绘制。QStyleOptionButton是一个包含按钮状态和属性的结构体。drawControl()函数是QStyle的一个方法，用于绘制控件元素（Control Element），在这个例子中是一个按钮。

风格元素和选项

QStyle类定义了多个枚举，用于指定控件的哪一部分需要绘制，以及如何绘制。这些枚举包括ControlElement、PrimitiveElement、ComplexControl等。

ControlElement: 这些是高级UI元素，如整个按钮、工具栏、滚动条等。
PrimitiveElement: 这些是构成控件的基本图形元素，如按钮的边框、复选框的勾选标记等。
ComplexControl: 这些是由多个交互部分组成的控件，如组合框或滑块。

QStyleOption类及其派生类携带了关于如何绘制控件的信息。QStyleOption包含了状态信息（如是否被按下、是否有焦点等），而派生类则包含了更具体的信息。例如，QStyleOptionButton包含了按钮特有的信息，如是否是默认按钮、是否是复选按钮等。

自定义风格

要创建自定义风格，你可以继承QStyle或者任何已有的风格类，并重写相应的绘制和尺寸计算方法。例如，你可能会重写drawControl()、drawPrimitive()、sizeFromContents()等方法来自定义控件的绘制和布局。

应用风格

可以通过调用QApplication::setStyle()方法来为整个应用程序设置风格。这个风格会被所有控件使用，除非某个控件显式地设置了不同的风格。QStyle负责定义和实现Qt控件的外观和行为，而具体的控件类则通过委托给QStyle来执行实际的绘制操作。这种设计使得Qt的外观和感觉可以非常灵活地被定制和更换，而不需要修改每个控件的实现代码。

QWidget绘制体系为什么这么设计【重点】

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