在嵌入式系统中集成 Rust 和 Qt 的实践-设计应用

精品文档-下载后可编辑在嵌入式系统中集成Rust和Qt的实践-设计应用Rust为嵌入式软件提供高性能、高可靠性和强大的安全性，并帮助开发人员检查并减少复杂、低级应用程序常见的内存和线程错误。凭借这些明显的优势，Rust在嵌入式软件开发人员中越来越受欢迎。同样，作为跨平台嵌入式应用程序的框架之一，Qt为嵌入式领域带来了强大的业务逻辑功能。由于Rust还没有的图形用户界面(GUI)，这意味着Rust-Qt集成对嵌入式开发人员越来越感兴趣，并已成为向嵌入式Rust应用程序添加GUI的关键方法之一。将两者整合在一起时，挑战就来了。如果没有仔细的计划和努力，组合的Rust-Qt应用程序就会成为这两种语言弱属性的牺牲品。Qt/C++对Rust的调用可能不安全，域间可能会出现并发问题，Rust的高性能和可移植性可能会打折扣。本文介绍了为嵌入式应用程序实现Rust和Qt世界的推荐原则。Rust和Qt的背景Rust拥有丰富的库生态系统，用于序列化和反序列化、异步操作、解析不安全输入、线程、静态分析等，而Qt是一个C++工具包，支持跨各种平台的丰富的、基于GUI的应用程序，从iOS到嵌入式Linux。Qt应用程序包括表示业务逻辑的C++插件、定义GUI组件和布局的QML以及用于GUI脚本的JavaScript。将Rust库集成到Qt框架中，为开发人员提供了一种强大的机制来提供高性能和安全的基础，从而推动复杂的用户体验。考虑一个农业仪表板应用程序，该应用程序需要安全访问后端I/O微控制器或从基于RTOS的单板计算机提取数据的飞机驾驶舱显示器。一种推荐的应用程序架构是将业务逻辑保留在Rust后端，并为用户界面使用Qt/C++插件。这解耦了两个域，将Qt/QML用于GUI开发的快速迭代速度和灵活性从业务级代码中分离出来。如何为嵌入式软件集成Rust和Qt将Qt与Rust集成的常见方法是让Rust调用Qt的C++库。虽然有几种绑定方法，但这些方法通常不是Rust惯用的，并且往往会失去安全优势，如图1所示。此外，Qt的大多数Rust绑定不会将Rust代码暴露给C++，这使得它们难以集成到现有的C++代码库中。

图1.Rust-Qt绑定的挑战（：KDAB）一种更有效的方法是以安全的方式连接两种语言，尽可能多地保留Rust固有的安全优势。为此，Rust需要能够使用自己的QObject子类和实例以的妥协来扩展Qt对象系统。后一种方法的一个例子是开源库CXX-Qt，它由KDAB发起并管理其正在进行的开发和改进。该库将Qt强大的面向对象和元对象系统与Rust相结合，并基于和扩展了另一个开源Rust/C++互操作性库CXX。在CXX-Qt中，新的QObject子类由Rust模块中的项目组成，以执行桥接功能。这些子类就像QML和C++中的任何其他QObject一样被实例化，将Rust特性暴露给Qt。CXX-Qt定义的每个QObject都包含两个组件：一个基于C++的对象，它是一个公开属性和可调用方法的包装器存储属性、实现可调用对象、管理内部状态并处理来自属性和后台线程的更改请求的Rust结构CXX-Qt自动生成代码以在Rust和Qt/C++域之间传输数据，并使用名为CXX的库在两者之间进行通信。CXX-Qt桥接方法的主要原则为了解释有效的Rust-Qt桥是如何工作的，我们将描述CXX-Qt库背后的几个关键原则。在Rust中声明QObjectQt的设计本质上是面向对象的，对于C++和QML都是如此，而Rust不支持继承和多态性等常见的类特性。为了克服这个限制，CXX-Qt在Rust中扩展了Qt对象系统，以提供一种自然的方式来集成两种语言，同时保持惯用的Rust代码。CXX-Qt桥可以包括以下部分：模块周围的宏指示内容与CXX-Qt相关定义QObject、Qt的任何属性和任何私有状态的结构Qobject结构的可选实现，其中函数可以标记为qinvokable，允许从QML和C++调用它们定义QObject信号的枚举普通CXX块CXX-Qt在代码生成期间将此Rust模块扩展为QObject的C++子类和RustObj结构，如图2所示。图2.CXX-Qt如何扩展QObjects以供运行时使用（：KDAB）下面是一个QObject示例，其中包含三个用于跨域操作的可调用方法和一个Rust-only方法：#[cxx_qt::bridge]modmy_object{不安全的外部“C++”{包括！（“cxx-qt-lib/qstring.h”）；输入QString=cxx_qt_lib::QString;包括！（“cxx-qt-lib/qurl.h”）；输入QUrl=cxx_qt_lib::QUrl；}#[cxx_qt::qobject]#[推导（默认）]酒吧结构我的对象{#[q属性]is_connected：布尔值，#[q属性]网址：QUrl，}#[cxx_qt::qsignals(MyObject)]酒吧枚举连接{连接的，错误{消息：QString}，}实现qobject::MyObject{#[qinvokable]pubfnconnect(mutself:PinmutSelf,url:QUrl){self.as_mut().set_url(url);如果自己.as_ref().url().to_string().starts_with(""){self.as_mut().set_is_connected(true);self.emit(Connection::Connected);}别的{self.as_mut().set_is_connected(false);self.emit(连接::错误{message:QString::from("URL不以"开头),});}}}}使用#[qinvokable]属性声明的方法（例如上面的connect）暴露给QML和C++，参数和返回类型在Qt端匹配。使用#[qproperty]属性（例如上面的is_connected）声明的QObject结构中的字段作为Q_PROPERTY公开给QML和C++。用#[cxx_qt::qsignals(T)]属性标记的枚举定义了在QObjectT上声明的信号。请注意，CXX-Qt会自动在snake_case(Rust)和CamelCase(Qt)命名之间进行转换。在此示例中，connect方法用于从Rust改变QObject的url和connected属性。然后发出一个信号，指示连接是否成功或是否发生错误。没有用属性标记的方法或字段被认为是Rust私有的，可用于管理内部状态或用作线程实例数据。由于QObject是桥的C++端拥有的构造Qt对象，因此它会在运行时销毁C++对象时被销毁。跨桥声明通用数据类型原始数据类型和CXX类型可以跨桥使用，不需要在Rust和Qt之间进行转换。库cxx_qt_lib提供代表常见Qt类型（例如QColor、QString、QVariant等）的Rust类型，以供跨桥使用。随着项目的发展，我们计划在cxx_qt_lib中加入更多常用的Qt类型，比如Qt容器类型（如QHash和QVector)和其他对QtC++或QML有用的类型。然后，我们希望通过向Rust生态系统中已建立的板条箱添加转换来增强这些类型。例如，我们计划支持从QColor到颜色包类型的转换或从QDateTime到日期时间包类型的转换，或者使用Rust包对Qt类型进行（反）序列化等。保持线程安全Rust-Qt应用程序中安全线程背后的一般概念是每当Rust代码执行时在C++端获取一个锁，以防止该代码被多个线程执行。这意味着所有直接从C++调用的Rust代码，例如可调用对象，仅在Qt线程上执行。为了允许开发人员将状态从后台Rust线??程同步到Qt，CXX-Qt提供了一个帮助程序，允许您从后台线程对Rust闭包进行排队。然后从Qt事件循环中执行闭包。//在可调用对象中，请求qt线程的句柄让qt_thread=self.qt_thread();//产生一个Rust线??程std::thread::spawn(移动||{让value=compute_value_on_rust_thread();//使用闭包移动值并在Qt事件循环中运行任务线程.queue(移动|mutqobject|{//发生在Qt事件循环中qobject.set_value(值);}).unwrap();});将RustQObject暴露给QML要在Qt应用程序中使用Rust代码，必须将RustQObject导出到QML。CXX-Qt通过为Rust中定义的每个QObject子类生成一个C++类来简化这个过程——开发人员只需要在main.cpp中包含两个语句：包括QObject类，例如，#include"cxx-qt-gen/my_object.h"将QObject类导出到QML，例如，qml注册类型("com.kdab.cxx_qt.demo",1,0,"MyObject");构建系统CXX-Qt支持使用CMake或Cargo构建。使用CMake，Corrosion（以前称为cmake-cargo）用于将Rustcrate作为静态库导入，然后链接到您的Qt应用程序可执行文件或库。这允许将CXX-Qt轻松集成到现有的CMakeQt应用程序中。构建Rustcrate时，build.rs文件会编译CXX-Qt生成的任何C++代码。对于使用Rust的Cargo构建系统的项目，CXX-Qt也可以在没有CMake的情况下从Cargo使用。使用此方法，Rust项目的build.rs文件还会触发Qt资源的构建、任何其他C++文件的编译以及链接到任何