C++ Signal：簡單實用的信號與槽機制

一、Signal是什麼？

Signal（信號）是C++中實現觀察者模式最常用的工具之一，是一種機制，允許對象間的通信，使得某一對象改變時，與之相關的對象能夠收到通知並進行響應。

Signal機制和槽（Slot）機制通常成對出現，Signal發出信號，Slot響應Signal的信號。對於同一個Signal，可以有多個Slot響應，同樣，一個Slot也可以響應多個Signal。這種機制實現了對象之間的耦合度低、可復用性高、代碼簡潔等優點。

二、Signal與STL

Signal機制的實現通常是使用C++的STL庫中的模板類，其基本思路是用一個容器存儲所有的Slot，並在Signal被觸發時，迭代遍歷所有的Slot進行響應。

以下是一個簡單的Signal的實現：

template
class Signal;

template
class Signal
{
public:
    using SlotFunction = std::function;
    
    void Connect(SlotFunction slot)
    {
        slots_.push_back(slot); // 存儲Slot
    }
    
    void Emit(Args... args)
    {
        for (SlotFunction& slot : slots_) // 迭代遍歷所有Slot
            slot(args...); // 響應Slot
    }
    
private:
    std::vector slots_;
};

使用示例：

Signal Signal1;
Signal1.Connect([&](int n) { std::cout << "Signal1: " << n << std::endl; });
Signal1.Emit(123);

輸出結果：

Signal1: 123

三、Signal與槽的連接

槽通常需要響應特定的Signal，所以需要將Signal與槽進行綁定。

以下是一個Signal和Slot的連接示例：

Signal Signal2;
class MyObject
{
public:
    void MySlot(int n) { std::cout << "MyObject::MySlot: " << n << std::endl; }
};
MyObject obj;
Signal2.Connect(std::bind(&MyObject::MySlot, &obj, std::placeholders::_1));
Signal2.Emit(456);

輸出結果：

MyObject::MySlot: 456

在上述示例中，將MyObject對象的MySlot函數與Signal2連接。這裡使用了std::bind函數將對象和成員函數綁定起來。

四、Signal的線程安全性

Signal的線程安全性是一個非常重要的問題，需要在並發場景中注意。

以下是一個考慮線程安全的Signal的實現：

template
class Signal;

template
class Signal
{
public:
    using SlotFunction = std::function;
    
    void Connect(SlotFunction slot)
    {
        std::lock_guard lock(mutex_); // 加鎖
        slots_.push_back(slot);
    }
    
    void Emit(Args... args)
    {
        std::lock_guard lock(mutex_); // 加鎖
        for (SlotFunction& slot : slots_)
            slot(args...);
    }
    
private:
    std::mutex mutex_; // 互斥鎖
    std::vector slots_;
};

在Connect和Emit函數中加鎖，保證同時只會有一個線程進行訪問。這樣可以避免競態條件等多線程問題。

五、Signal的應用場景

Signal機制常用於GUI編程中，例如當一個控件的狀態發生變化時，需要通知其他控件。此時可以使用Signal機制，在狀態發生變化時，發出信號，通知其他控件進行響應。

除此之外，Signal還可以應用於遊戲編程、物聯網等領域。在遊戲編程中例如玩家狀態發生變化時需要同步給其他玩家，可以使用Signal機制進行同步通信。

六、總結

Signal機制是C++中一種實用的觀察者模式工具，可以實現對象之間的通信，具有代碼簡潔、可復用性高等優點。在實際開發中，Signal通常和槽相關聯，需要注意並發問題和內存泄漏等問題。