小谈一下Qt的绘制引擎 - QWidget

#Qt

序

先谈一个疑问？如何设计一个优秀的绘制引擎。

注意下这里，我说的是绘制引擎，而不是光栅化引擎。

这有本质的区别。光栅化引擎只是绘制渲染引擎的一部分。

绘制引擎是我们开发者用的一些常见的接口。光栅化引擎我认为是绘制引擎一部分的实现，所以这里只讲外层的东西。逃）

个人认为，Qt是把C++ OOP的特性用到滚瓜烂熟的框架-封装，继承，多态。

那么目前Qt6的图形架构是这个样子的。

你会发现，Qt Widget这套，基本上都已经跟qml这套脱离了，所以Qt6最新的RHI架构对3D做了很好的支持。

今天主要讲一下QWidget这套的绘制流程，后面会简单说下优缺点。

废话不多说，先举个栗子吧。

举个

假如要画一条线，需要哪几步

要把画一条线总共需要几个角色（要把大象装冰箱总共分几步）

第一步，需要一个人(画线的方法)。（废话）

第二步，需要一个笔。

第三步，需要一张纸。

换成Qt来画线的话那就是

第一步，需要一个光栅化引擎(QPaintEngine)

第二步，需要一个笔(QPainter)

第三步，需要一个设备(QPaintDevice)

所以Qt给我们暴露的接口就是这三个

• QPaintEngine
• QPainter
• QPaintDevice

Qt的绘制引擎简介

Qt官方简介

QPaintEngine ， QPainter ， QPaintDevice 组成了Qt绘制界面的基础。

直接贴上三个类的官方说明介绍

顺便打个广告，如果有兴趣参与Qt文档的翻译，欢迎参与项目 QtDocumentCN/QtDocumentCN: Qt中文文档翻译 (github.com)

一下说明来自项目QtDocumentCN

QPaintEngine

QPaintEngine类为QPainter提供了如何在指定绘图设备上(译者注:一般为QPaintDevice的派生)绘制的一些抽象的方法。

Qt为不同的painter后端提供了一些预设实现的QPaintEngine

译者注：提供一个更加好理解的说法。QPainter的Qt实现一般默认调用的是QPaintEngine的方法。

现在QPaintEngine主要提供的是Qt自带的光栅化引擎(raster engine),Qt在他所有支持的平台上，提供了一个功能完备的光栅化引擎。

在Windows, X11 和 macOS平台上，Qt自带的光栅化引擎都是QWidget这个基础类的默认的绘制方法的提供者，亦或是QImage的绘制方法的提供者。当然有一些特殊的绘制设备的绘制引擎不提供对应的绘制方法，这时候就会调用默认的光栅化引擎。

当然，我们也为OpenGL(可通过QOpenGLWidget访问)跟打印(允许QPainter在QPrinter对象上绘制，用于生成pdf之类的)也提供了对应的QPaintEngine的实现。

译者注： QPainter,QPainterEngine，QPaintDevice三个是相辅相成的。

QPainter为开发者提供外部接口方法用于绘制

QPaintEngine为QPainter提供一些绘制的具体实现

QPaintDevice为QPainter提供一个绘图设备，用于显示亦或储存。

如果你想使用QPainter绘制自定义的后端(译者注：这里可以理解为QPaintDevice)。你可以继承QPaintEngine，并实现其所有的虚函数。然后子类化QPaintDevice并且实现它的纯虚成员函数（QPaintDevice::paintEngine()）。

由QPaintDevice创建QPaintEngine，并维护其生命周期。

另请参见QPainter，QPaintDevice::paintEngine()和Paint System

QPaintDevice

翻译TODO

QPainter

翻译TODO

举个Qt里实现QPaintEngine相关的例子

首先在Qt的源码里打开终端执行命令

find . -name qpaintengine*.cpp

或者你在windows上用everything搜一下

./5.15.2/Src/qtbase/src/gui/image/qpaintengine_pic.cpp
./5.15.2/Src/qtbase/src/gui/painting/qpaintengine.cpp
./5.15.2/Src/qtbase/src/gui/painting/qpaintengineex.cpp
./5.15.2/Src/qtbase/src/gui/painting/qpaintengine_blitter.cpp
./5.15.2/Src/qtbase/src/gui/painting/qpaintengine_raster.cpp
./5.15.2/Src/qtbase/src/opengl/gl2paintengineex/qpaintengineex_opengl2.cpp
./5.15.2/Src/qtbase/src/plugins/platforms/xcb/nativepainting/qpaintengine_x11.cpp
./5.15.2/Src/qtbase/src/printsupport/kernel/qpaintengine_alpha.cpp
./5.15.2/Src/qtbase/src/printsupport/kernel/qpaintengine_preview.cpp

这些都是QPaintEngine在各个不同端的派生，有兴趣可以搜下qpaintdevice相关的，也差不多都是这样。

比如qpaintengine_raster.cpp 就是Qt自己的光栅化引擎实现，qpaintengine_x11.cpp就是在Linux下默认跟x11交互的光栅化实现。。。

「当然并不是所有的派生都会有自己独立的cpp文件，或者叫相关的cpp」 。可以对比Qt的官方API来对照下

枚举类型 枚举值 描述

说下Qt绘制一条线的流程

现在有这样的代码,我们来在Qt中绘制一条线

QLineF line(10.0, 80.0, 90.0, 20.0);

QPainter painter(this);
painter.drawLine(line);

如果我们的Qt把渲染引擎设置成了raster引擎，那么 qpainter 的实现本质上是调用的QPaintEngine的相关代码。

void QPainter::drawLines(const QLineF *lines, int lineCount)
{
//此处精简代码
    xxxxxxxx
    if (lineEmulation) {
        if (lineEmulation == QPaintEngine::PrimitiveTransform
            && d->state->matrix.type() == QTransform::TxTranslate) {
            for (int i = 0; i < lineCount; ++i) {
                QLineF line = lines[i];
                line.translate(d->state->matrix.dx(), d->state->matrix.dy());
                d->engine->drawLines(&line, 1); //这里调用qpaintengine
            }
        } else {
            QPainterPath linePath;
            for (int i = 0; i < lineCount; ++i) {
                linePath.moveTo(lines[i].p1());
                linePath.lineTo(lines[i].p2());
            }
            d->draw_helper(linePath, QPainterPrivate::StrokeDraw); //这里会走模拟绘制本质上也会走一个engine
        }
        return;
    }
    d->engine->drawLines(lines, lineCount); //或者这里调用qpaintengine
}

那么就调用到了 QPaintEngineRaster 的相关实现。

QRasterPaintEngine 继承自 QPaintEngineEx ， QPaintEngineEx 继承自 QPaintEngine

void QRasterPaintEngine::drawLines(const QLine *lines, int lineCount)
{
#ifdef QT_DEBUG_DRAW
    qDebug() << " - QRasterPaintEngine::drawLines(QLine*)" << lineCount;
#endif
    Q_D(QRasterPaintEngine);
    QRasterPaintEngineState *s = state();

    ensurePen();
    if (!s->penData.blend)
        return;

    if (s->flags.fast_pen) {
        QCosmeticStroker stroker(s, d->deviceRect, d->deviceRectUnclipped);
        stroker.setLegacyRoundingEnabled(s->flags.legacy_rounding);
        for (int i=0; i<lineCount; ++i) {
            const QLine &l = lines[i];
            stroker.drawLine(l.p1(), l.p2());
        }
    } else {
        QPaintEngineEx::drawLines(lines, lineCount);
    }
}

所以QPainter在画画的时候本质上是QPaintEngine提供的方法。

关于QPaintDevice

由QPaintDevice创建QPaintEngine，并维护其生命周期。by官方文档

上面的代码中，是这样初始化QPainter的。

我们一般重写一个QWidget的paintevent的时候才会这样。

//这里的this实际上就是一个QWidget，QWidget继承自QPaintDevice
QPainter painter(this);

QWidget继承自QPaintDevice,看下源码实现

QWidget::QWidget(QWidgetPrivate &dd, QWidget* parent, Qt::WindowFlags f)
    : QObject(dd, nullptr), QPaintDevice()

QPaintDevice本质上就是一个绘制设备，供我们使用，由于QPaintDevice创建QPaintEngine ，所以QPaintDevice跟QPaintEngine一样，也会有很多种类型的派生。

• QGLFramebufferObject
• QGLPixelBuffer
• QImage,
• QOpenGLPaintDevice,
• QPagedPaintDevice
• QPaintDeviceWindow,
• QPicture
• QPixmap,
• QSvgGenerator
• QWidget

简单说一下绘制的一些流程

本质上，绘制引擎绘制的流程是一个状态机。

QPainter 在绘制的时候是有很多讲究的，就拿标脏来说吧。

假如有这么一段代码

QPen pen;

QPainter painter(this);
painter.setPen(pen);

这时候 setPen 的时候， QPainter 里的 QPaintEngine 会直接设置这个flag

QPaintEngine::DirtyPen

然后内部再走标脏之后需要走的逻辑， QPaintEngine 使用函数 QPaintEngine::updateState() 来通知QPainter的延迟刷新。所以基本上，Qt的绘制效率跟效果都是有保证的。

如果你想继承 QPaintEngine 来实现自己的光栅化引擎的话，不一定是光栅化。比如像 Qt 那样支持保存成pdf也可以。

必须更新下面所有的标脏状态（译者注：比如你自定义一个 QPaintEngine ，就需要处理上面的所有的状态的刷新）

比如你 setFont ，那么状态就 QPaintEngine::DirtyFont

setBrush ,那么状态就 QPaintEngine::DirtyBrush

枚举类型 枚举值 描述

扩展用法 - 自定义类型

举个很简单的栗子

比如有一个图片类型， Qt 是不支持的, 如果我还是想用Qt那种形式，那么我该如何接入。

首先我要继承 QPaintDevice 来叫一个 QXXXXImage 。（类似QImage那样，当然你也可以直接绘制到QWidget上）

也要继承一个 QPaintEngine 来叫一个 QXXXXXEngine 。(类似QPaintEngine::SVG那样)

QPainter 不变。

在绘制图片的时候， QPainter 会直接调用到自己实现的 QXXXXXEngine ，这里接到设备上，来自己实现绘制这个新格式的流程。

这样，我们就什么都不用变，就可以支持一种新格式了，你 QPainter 原来该怎么 drawImage ，还怎么draw。

「Qt源码里这里当然有一个参考的栗子」

可以参考源码

./5.15.2/Src/qtbase/src/printsupport/kernel/qprintengine_pdf.cpp

Qt的PDF引擎很好的实现了自己的 QPaintEngine ，跟 QPaintDevice ，要不然怎么能够支持导出 pdf 呢！

个人的一些看法

说句心里话，Qt Widget这套渲染引擎的设计已经是比较过时了。（当然只是相对来说，毕竟Qt诞生的太早了。

比如最诟病的QWidget的渲染机制。我比较诟病的大概有这么几点。

QPaintDevice & QPaintEngine没有分开

由QPaintDevice创建QPaintEngine

在Qt源码里，QPaintEngine的构造是在QPaintDevice创建的。 简单的说，绘制设备必须要跟光栅化引擎必须是同一个类型的后端。

比如OpenGL - QOpenGLWidget

这样就很尴尬，QPaintEngine很难换一个后端渲染引擎，必须得跟着QPaintDevice一起变。 这算是一个痛点吧。

多线程支持

现在QWidget对GPU的支持 & 动画效果并不是太好。

基于上面QWidget的这套设计，实际上，痛点就已经很明显了，即多线程支持。

看下RHI的一些简单的架构设计，对于多线程的支持

这才是现代的绘制引擎的设计，但是目前我也没有好好研究过qml，毕竟没写过。先给自己一个Flag吧，后面准备好好研究下这套引擎。

就大概讲了下这套渲染引擎吧。后面估计会好好研究下这套渲染引擎，逃）