GUI 主循环设计及其在 MiniGUI, GTK, QT 的实现

作者: 刘鹏

日期: 2009-05-22

介绍了 GUI 主循环的设计思路，并分析了 MiniGUI, GTK, QT 的主循环。

简介

我们知道GUI应用程序都是事件驱动的。这些事件大部分都来自于用户，比如键盘事件、鼠标事件或笔点事件。还有一些事件来自于系统内部，比如定时事件、socket事件和其它文件事件等等。在没有任何事件的情况下，应用程序处于睡眠状态。

因为这种事件驱动机制，GUI应用程序都毫无例外的需要一个主循环(main loop)。 主循环(main loop)控制应用程序什么时候进入睡眠状态，什么时候被唤醒。主 循环实现得好，应用程序才能工作正常又省电。

目前常见的主循环设计主要是三种思路：

1. 消息队列 + 信号量(semaphore) + sem_wait；
2. 事件源 + select；
3. 事件源 + poll。

对于第一种设计思路，主循环不断的从消息队列中提取消息分发给窗口，如果消 息队列中没有消息，主循环调用 sem_wait 进入休眠状态，直到有信息出现被唤 醒。的主循环就是这样实现的。

对于第二种思路，主循环使用 poll 函数监听事件源，若有事件出现则进行处理， 否则进入休眠状态，直到有事件到来。+ 的主循环就是采用的这种思路。

第三种思路与第二种思路类似，不同之处是主循环使用 select 函数监听事件源，  的主循环就是采用的这种思路。

下面结合具体的实现逐一分析这三种思路。

 的主循环

 应用程序的主循环与 Win32 类似，大致如下：

    while (GetMessage (&Msg, hMainWnd)) {
        DispatchMessage (&Msg);
    }

在  的主循环中，它不断的从消息队列中提取消息，然后分发给消息的 目标(通常是窗口)，直到GetMessage返回FALSE（收到WM_QUIT消息，一般调用 PostQuitMessage）为止，如果队列中没有消息，应用程序就进入睡眠状态。

这种方法的优点是简单明了，但缺陷也是明显的，它只能挂在消息队列上，而不 能同时挂在多个事件源上(如管道和socket等)。要挂在多个事件源上，需要使用 其它方式，比如用WaitForMultipleObjects，那就比较麻烦了。

关于主循环的休眠， 采用的是信号量的方式(sem_wait)。我们进入 GetMessage 接口的实现：

...

checkagain:

    LOCK_MSGQ (pMsgQueue);

    ... peek message ...

    UNLOCK_MSGQ (pMsgQueue);

    if (bWait) {
        /* no message, wait again. */
        sem_wait (&pMsgQueue->wait);
        goto checkagain;
    }

GetMessage 调用 sem_wait 函数等待消息队列，若没有消息主循环进入休眠等待状态。

+ 的主循环

在+应用程序中，其主循环(main loop)更加简单，但是非常的不明了。

每个 gtk 应用程序都有下面这行代码：

gtk_main ();

不少人用+写了很长时间的程序，还是觉得这行代码很神秘，不知道里面到底 干了什么。我们在这里分析下 gtk_main 的工作原理。

gtk_main 主要是对 glib 的 main loop 的包装，基本分为三步：

1. 调用初始化函数;
2. 进入glib main loop;
3. 调用~初始化函数。

所以弄清楚glib main loop之后，gtk_main的实现也就尽收眼底了，这里重点分 析glib的main loop的实现。main loop使用模式大致如下：

loop = g_main_loop_new (NULL, TRUE);
g_main_loop_run (loop);
g_main_loop_quit ();

g_main_loop_new创建一个main loop对象，一个main loop对象只能被一个线程 使用，但一个线程可以有多个main loop对象。在+应用中，一个线程使用多 个main loop的主要用途是实现模态对话框，它在gtk_dialog_run函数里创建一 个新的main loop，通过该main loop分发消息，直到对话框关闭为止。

g_main_loop_run则是进入主循环，它会一直阻塞在这里，直到让它退出为止。 有事件时，它就处理事件，没事件时就睡眠。

g_main_loop_quit则是用于退出主循环，相当于Win32下的PostQuitMessage函数。

Glib main loop 的最大特点就是支持多事件源，使用非常方便。来自用户的键盘 和鼠标事件、来自系统的定时事件和socket事件等等，还支持一个称为idle的事 件源，其主要用途是实现异步事件。

Glib Main loop的设计思想是基于 poll 的 "prepare/check/dispatch" 模式， 它的基本组成如下图所示：

来自资料1

GMainLoop的主要部件是GMainContext，GMainContext可以在多个GMainLoop间共 享，但要求这些GMainLoop都在同一个线程中运行，前面提到的模态对话框就属 于这一类。GMainContext通常由多个GSource组成，GSource是事件源的抽象，任 何事件源，只要实现GSource规定的接口，都可以挂到GMainContext中来。

GSource的接口函数有：

1. gboolean (*prepare) (GSource *source, gint *timeout_);进入睡眠之前， 在g_main_context_prepare里，mainloop调用所有Source的prepare函数， 计算最小的timeout时间，该时间决定下一次睡眠的时间。
2. gboolean (*check) (GSource *source); poll被唤醒后，在 g_main_context_check里，mainloop调用所有Source的check函数，检查是 否有Source已经准备好了。如果poll是由于错误或者超时等原因唤醒的，就 不必进行dispatch了。
3. gboolean (*dispatch) (GSource*source, GSourceFunc callback,gpointer user_data); 当有Source准备好了，在 g_main_context_dispatch里，mainloop调用所有Source的dispatch函数， 去分发消息。
4. void (*finalize) (GSource *source); 在Source被移出时，mainloop调用 该函数去销毁Source。

Main loop的工作流程简图如下：

来自资料1

下面我们看看几个内置Source的实现机制：

Idle 它主要用实现异步事件，功能类似于Win32下的PostMessage。但它还支持 重复执行的特性，根据用户注册的回调函数的返回值而定。

1. g_idle_prepare把超时设置为0，也就是即时唤醒，不进入睡眠状态。
2. g_idle_check 始终返回TRUE，表示准备好了。
3. g_idle_dispatch 调用用户注册的回调函数。

Timeout 它主要用于实现定时器，支持一次定时和重复定时，根据用户注册的回调函数的返回值而定。

1. g_timeout_prepare 计算下一次的超时时间。
2. g_timeout_check 检查超时时间是否到了，如果到了就返回TRUE，否则返回FALSE。
3. g_timeout_dispatch调用用户注册的回调函数。

线程可以向自己的mainloop中增加Source，也可以向其它线程的mainloop增加 Source。向自己的mainloop中增加Source时，mainloop已经唤醒了，所以不会存 在什么问题。而向其它线程的mainloop增加Source时，对方线程可能正挂在poll 里睡眠，所以要想法唤醒它，否则Source可能来不及处理。在Linux下，这是通 过wake_up_pipe管道实现的，mainloop在poll时，它除了等待所有的Source外， 还会等待wake_up_pipe管道。要唤醒poll，调用 g_main_context_wakeup_unlocked向wake_up_pipe里写入字母A就行了。

 的主循环

 采用的是基于 select 的主循环。主循环使用 select 函数监听事件源，当 有事件发生时对其进行处理，若没有事件则休眠等待。

 的事件处理模块如下图所示：

类 QAbstractEventDispatcher 封装了所有的事件处理接口，包括事件的处理 (processEvents)，Socket 的登记和注销 (xxxSocketNotifier)，Timer 的注册 与注销(xxxTimer)等。

不同版本的  代码实现不同的 QAbstractEventDispathcer 子类。这里，我分 析了 X11 平台的  实现，它实现了 QEventDispathcerUnix 类，并派生出 QEventDispatcherX11 类。

processEvents 方法负责处理事件；select 方法提供了监听事件的接口，它实际上去调系统的 select 函数。

 相关代码在 src/gui/kernel 和 src/corelib/kernel 目录下。

Reference

1. GTK+主循环(main loop)的工作原理