真正理解微软Windows程序运行机制——窗口机制（第三部分）

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2024-02-12 09:46:29

我是荔园微风，作为一名在IT界整整25年的老兵，今天说说Windows程序的运行机制。经常被问到MFC到底是一个什么技术，为了解释这个我之前还写过帖子，但是很多人还是不理解。其实这没什么，我在学生时代也被这个问题困绕过。而且那个时间学习资料没有那么丰富，网上也没有什么资料，周围也没有懂的人，那个时候理解MFC更困难。甚至在我看来，理解这个比理解人工神经网络更难。

我认为造成这种现象的根本原因就是没有搞清楚Windows程序的运行机制，因为不理解Windows程序的运行机制，所以给理解MFC带来了很大的困难。我决定带所有微软开发技术的初学者一起攻破这个问题，但是一篇文章肯定是讲不清楚的，我们要分好几章来说。需要你有足够的耐心，一起来吧。我们这次来搞清楚什么是Windows程序的窗口机制。

下面我们来创建一个窗口，并在该窗口中响应键盘及鼠标消息，程序实现的步骤我们分三个部分，分别用三篇文章来讲清楚。

第一部分我们先写出WinMain()函数的定义,然后创建一个窗口。第二部分我们再通过消息循环来处理消息，最后第三部分我们编写窗口过程函数。为什么最后要编写窗口过程函数，主要是为了处理传过来的消息，这个就是我们今天要讲的内容。只有以上三个部分完成了，我们就真正能做到创建一个窗口，并在该窗口中响应键盘及鼠标消息，不然少一步都做不到。

现在我们就来介绍如何编写窗口过程函数

在完成之前两篇帖子的内容后，剩下的工作就是编写一个窗口过程函数，用于处理发送给窗口的消息。一个 Windows应用程序的主要代码部分就集中在窗口过程函数中。在 MSDN中可以查到窗口过程函数的声明形式，如下所示：

LRESULT CALLBACK WindowProc(
　　HWND hwnd,        //handle to window
　　UINT uMsg,        //message identifier
　　WPARAM wParam,    //first message parameter
　　LPARAM lParam     //second message parameter
);

窗口过程函数的名字可以随便取，但函数定义的形式必须和上述声明的形式相同。系统通过窗口过程函数的地址（指针）来调用窗口过程函数，而不是名字。

WindowProc函数的4个参数分别对应消息的窗口句柄、消息代码、消息代码的两个附加参数。一个程序可以有多个窗口，窗口过程函数的第1个参数hwnd就标识了接收消息的特定窗口。在窗口过程函数内部使用switch/case语句来确定窗口过程接收的是什么消息,以及如何对这个消息进行处理。

我们看下面的代码WinMain.cpp：

1. LRESULT CALLBACK WindowsProc(
2.　　HWND hwnd,　　// handle to window
3.　　UINT uMsg,　　//　message identifier
4.　　WPARAM wParam,　　// first message parameter
5.　　LPARAM IParam　　//　second message parameter
6.)
7.{
8.　　switch(uMsg)
9.　　{
10.　　case WM_CHAR:
11.    　　char szChar[20];
12.    　　sprintf_s(szChar, sizeof(szChar), "char is &d", wParam);
13.　    　MessageBox(hwnd, szChar, "char",0);
14.　　    break;
15.　　case　WM_LBUTTONDOWN:
16.　    　MessageBox(hwnd,"mouse clicked","message",O);
17.　    　HDC hdc;
18.　    　hdc=GetDC(hwnd);
19.　    　TextOut (hdc,0,50,"csdn"，strlen("csdn") ；
20.　    　ReleaseDC(hwnd,hdc);
21.　    　break;
22.　　case　WM_PAINT:
23.　    　HDC hDC;
24.　    　PAINTSTRUCT ps;
25.　　    hDC=BeginPaint(hwnd, &ps);
26.       TextOut(hDC,0,0,"www.csdn.net", strlen("www.csdn.net");
27.　    　EndPaint(hwnd,&ps);
28.　    　break;
29.　　case　WM_CLOSE:
30.　    　if (IDYES=MessageBox (hwnd,"是否结束？"，"message", MB_YESNO)
31.　    　{
32.　　        DestroyWindow(hwnd);
33.　    　}
34.　    　break;
35.　　case　WM_DESTROY:
36.　    　PostQuitMessage(0);
37.　    　break;
38.　　default:
39.　　    return DefWindowProc(hwnd, uMsg, wParam,1Param);
40.　　}
41.　　return　0;
42.}

当年我看到这个程序时，不知道是什么样的意思，下面我来解释一下：

10~14行代码：当用户在窗口中按下一个字符键，程序将得到一条WM_CHAR消息(通过调用TranslateMessage函数转换得到)，在其 wParam 参数中含有字符的ASCII码值。MessageBox函数弹出一个包含了显示信息的消息框，如果我们按下字母“c”键（注意大小写)，程序将弹出消息框，内容是char is 99。

15-21行代码：当用户在窗口中按下鼠标左键时，将产生WM_LBUTTONDOWN 消息。我们在 WM_LBUTTONDOWN消息的响应代码中，调用MessageBox函数弹出一个提示信息，告诉用户“mouse clicked”。接下来，我们在窗口中(0,50)的位置处输出一行文字“csdn”。下面这句话各位初学者一定要牢记：

要在窗口中输出文字或者显示图形，需要用到设备描述表（Device Context)，简称DC。DC.是一个包含设备（物理输出设备，如显示器，以及设备驱动程序)信息的结构体，在Windows平台下，所有的图形操作都是利用DC来完成的。

关于 DC，我们来打个比方。我们让各种AIGC应用画一幅皮卡丘的图像，有的AI采用素描，有的AI采用水彩画，有的AI采用油画，每个AI所画的图都是皮卡丘，然而表现形式却各不相同。如果让我们来画图，指定了一种画法（例如用素描），我们就要去学习它，然后才能按照要求画出图形。如果画法（工具）经常变换，我们就要花大量的时间和精力去学习和掌握画法。在这里，画法就相当于计算机中的图形设备及其驱动程序。我们要想画一幅图，就要掌握我们所用平台的图形设备和驱动程序，调用驱动程序的接口来完成图形的显示。不同图形设备的驱动程序是不一样的，对于程序员来说，要掌握各种不同的驱动程序，工作量就太大了。

因此，Windows就给我们提供了一个DC,让我们只要下命令去画皮卡丘这幅图,由DC去和设备驱动程序打交道,就能完成图形的绘制。至于图形的效果，就要由所使用的图形设备来决定了。

对于我们来说，只要画出的是皮卡丘图像就可以了。

对于程序员来说，只需要获取DC(DC也是一种资源)的句柄，利用这个句柄去作图就可以了。使用DC，程序不用为图形的显示与打印输出做分别处理了。

无论是显示，还是打印，都直接在DC上操作，然后由DC映射到这些物理设备上。

第17行代码：定义了一个类型为HDC的变量hdc。

第18行代码：用hdc保存GetDC函数返回的与特定窗口相关联的DC的句柄。

为什么DC要和窗口相关联呢？我们在作图时需要有画布，而利用计算机作图，窗口就相当于画布，因此，在获取DC的句柄时，总是和一个指定的窗口相关联。

第19行代码：TextOut函数利用得到的DC句柄在指定的位置(x坐标为0，y坐标为50）输出一行文字。

第20行代码：在执行图形操作时，如果使用GetDC函数来得到DC的句柄，那么在完成图形操作后，必须调用ReleaseDC函数来释放DC所占用的资源，否则会引起内存泄漏。

好了，在继续研究代码前，我们必须了解一下消息，叫做WM_PAINT 消息，我们来看一看：

WM_PAINT是Windows窗口系统中一条重要的消息，应用程序通过处理该消息实现在窗口上的绘制工作。

问题1. 系统何时发送WM_PAINT消息？系统会在多个不同的时机发送WM_PAINT消息：当第一次创建一个窗口时，当改变窗口的大小时，当把窗口从另一个窗口背后移出时，当最大化或最小化窗口时等等，这些动作都是由系统管理的，应用只是被动地接收该消息，在消息处理函数中进行绘制操作；大多数的时候应用也需要能够主动引发窗口中的绘制操作，比如当窗口显示的数据改变的时候，这一般是通过InvalidateRect和 InvalidateRgn函数来完成的。InvalidateRect和InvalidateRgn把指定的区域加到窗口的Update Region中，当应用的消息队列没有其他消息时，如果窗口的Update Region不为空时，系统就会自动产生WM_PAINT消息。

系统为什么不在调用Invalidate时发送WM_PAINT消息呢？又为什么非要等应用消息队列为空时才发送WM_PAINT消息呢？这是因为系统把在窗口中的绘制操作当作一种低优先级的操作，于是尽可能地推后做。不过这样也有利于提高绘制的效率：两个WM_PAINT消息之间通过InvalidateRect和InvaliateRgn使之失效的区域就会被累加起来，然后在一个WM_PAINT消息中一次得到更新，不仅能避免多次重复地更新同一区域，也优化了应用的更新操作。这种通过InvalidateRect和InvalidateRgn来使窗口区域无效，依赖于系统在合适的时机发送WM_PAINT消息的机制实际上是一种异步工作方式，也就是说，在无效化窗口区域和发送WM_PAINT消息之间是有延迟的；有时候这种延迟并不是我们希望的，这时我们当然可以在无效化窗口区域后利用SendMessage 发送一条WM_PAINT消息来强制立即重画，但不如使用Windows GDI为我们提供的更方便和强大的函数：UpdateWindow和RedrawWindow。UpdateWindow会检查窗口的Update Region，当其不为空时才发送WM_PAINT消息；RedrawWindow则给我们更多的控制：是否重画非客户区和背景，是否总是发送WM_PAINT消息而不管Update Region是否为空等。

问题2. 什么是BeginPaint？BeginPaint和WM_PAINT消息紧密相关。试一试在WM_PAINT处理函数中不写BeginPaint会怎样？程序会像进入了一个死循环一样达到惊人的CPU占用率，你会发现程序总在处理一个接一个的WM_PAINT消息。这是因为在通常情况下，当应用收到WM_PAINT消息时，窗口的Update Region都是非空的（如果为空就不需要发送WM_PAINT消息了），BeginPaint的一个作用就是把该Update Region置为空，这样如果不调用BeginPaint，窗口的Update Region就一直不为空，如前所述，系统就会一直发送WM_PAINT消息。BeginPaint和WM_ERASEBKGND消息也有关系。当窗口的Update Region被标志为需要擦除背景时，BeginPaint会发送WM_ERASEBKGND消息来重画背景，同时在其返回信息里有一个标志表明窗口背景是否被重画过。当我们用InvalidateRect和InvalidateRgn来把指定区域加到Update Region中时，可以设置该区域是否需要被擦除背景，这样下一个BeginPaint就知道是否需要发送WM_ERASEBKGND消息了。另外要注意的一点是，BeginPaint只能在WM_PAINT处理函数中使用。

另外，需要知道的是：1.WM_PAINT是一个被动消息,不能通过普通的方法简单的 sendmessage WM_PAINT了事，这是不行的;但通过消息由程序员引发不是不可能;通过几个特殊的常数可以做到。2.sendmessage 可以将消息发送到消息队列;但windows会自动判断是否存在无效的画图区域; 如果存在无效的画图区域,则可能会重画,反之则弃用该消息。3.可以使用 InvalidateRect 等几个APi将屏幕上任意一个个矩形区域设置为无效区域,在UpdateWindow后调用后,windows会自动查找是否存在无效,并重画,该矩形区。

好了，我们继续分析代码。

第22~28行代码：对WM_PAINT消息进行处理。当窗口客户区的一部分或者全部变为“无效”时，系统会发送WM_PAINT消息，通知应用程序重新绘制窗口。当窗口刚创建的时候，整个客户区都是无效的。因为这个时候程序还没有在窗口上绘制任何东西，当调用 UpdateWindow 函数时，会发送 WM PAINT消息给窗口过程，对窗口进行刷新。当窗口从无到有、改变尺寸、最小化后再恢复，窗口的客户区都将变为无效，此时系统会给应用程序发送WM_PAINT消息，通知应用程序重新绘制。窗口大小发生变化时是否发生重绘，取决于WNDCLASS结构体中style成员是否设置了CS_HREDRAW和CS_VREDRAW标志。

第25行，调用BeginPaint函数得到DC的句柄。BeginPaint函数的第1个参数是窗口的句柄，第二个参数是PAINTSTRUCT结构体的指针，该结构体对象用于接收绘制的信息。在调用 BeginPaint时，如果客户区的背景还没有被擦除，那么BeginPaint 会发送WM_ERASEBKGND消息给窗口,系统就会使用 WNDCLASS结构体的 IhbrBackground成员指定的画刷来擦除背景。

第26行，调用TextOut函数在（0,0)的位置输出一个网址“http://www.csdn.net".xn--,-lq6ap3a41lvc21ch9jmykfkjre306dbybe0bn51jenezut46q1w5bib7arndqx5a.xn--,textout,www-449fl587clta654b7wbobx0fu3ujqa83a053cna7803eltn0ndy9il81bga8083j1p2a0pnvf4drc7f.csdn.xn--net-9o0a.xn--,,-zv2cke90ee2puiey2lroak1q5hjc001c34dbae82f132c5rala116doo2gfag508fhad199gm9pnad5740bxf9dmuknos2o6aua57d99d76d/ WM_PAINT消息的代码中输出的文字或图形始终保持在窗口中。换句话说，如果我们想要让某个图形始终在窗口中显示，就应该将图形的绘制操作放到响应WM_PAINT消息的代码中。

那么系统为什么不直接保存窗口中的图形数据，而要由应用程序不断地进行重绘呢？这主要是因为在图形环境中涉及的数据量太大，为了节省内存的使用，提高效率，而采用了重绘的方式。

在响应 WM_PAINT消息的代码中，要得到窗口的 DC,必须调用 BeginPaint函数。BeginPaint 函数也只能在 WM_PAINT 消息的响应代码中使用，在其他地方，只能使用GetDC来得到DC的句柄。另外， BeginPaint 函数得到的DC,必须用 EndPaint函数去释放。

29~34行代码：当用户单击窗口上的关闭按钮时，系统将给应用程序发送一条WM_CLOSE消息。在这段消息响应代码中，我们首先弹出一个消息框，让用户确认是否结束。如果用户选择“否”，则什么也不做；如果用户选择“是”，则调用DestroyWindow函数销毁窗口，DestroyWindow 函数在销毁窗口后会向窗口过程发送 WM_DESTROY 消息。注意，此时窗口虽然销毁了，但应用程序并没有退出。

有不少初学者错误地在WM_DESTROY消息的响应代码中提示用户是否退出，而此时窗口已经销毁了，即使用户选择不退出，也没有什么意义了。

所以如果你要控制程序是否退出，应该在WM_CLOSE消息的响应代码中完成。对WM CLOSE消息的响应并不是必须的，如果应用程序没有对该消息进行响应，系统将把这条消息传给 DefWindowProc函数，那么 DefWindowProc函数则调用 DestroyWindow 函数来响应这条 WM_CLOSE消息。

35-37行代码：DestroyWindow函数在销毁窗口后，会给窗口过程发送 WM_DESTROY消息，我们在该消息的响应代码中调用PostQuitMessage函数。PostQuitMessage函数向应用程序的消息队列中投递一条WM_QUIT消息并返回。GetMessage函数只有在收到 WM_QUIT消息时才返回 0，此时消息循环才结束，程序退出。要想让程序正常退出，我们必须响应WM_DESTROY消息，并在消息响应代码中调用PostQuitMessage，向应用程序的消息队列中投递 WM_QUIT消息。传递给 PostQuitMessage函数的参数值将作为 WM_QUIT 消息的wParam参数，这个值通常用作 WinMain函数的返回值。

38-39行代码：DefWindowProc函数调用默认的窗口过程，对应用程序没有处理的其他消息提供默认处理。对于大多数的消息，应用程序都可以直接调用 DefWindowProc函数进行处理。在编写窗口过程时，应该将 DefWindowProc 函数的调用放到 default 语句中，并将该函数的返回值作为窗口过程函数的返回值。