眼見為實(2)：介紹Windows的窗口、消息、子類化和超類化
這篇文章本來只是想介紹一下子類化和超類化這兩個比較“生僻”的名詞。為了敘述的完整性而討論了Windows的窗口和消息，也簡要討論了進程和線程。子類化（Subclassing）和超類化（Superclassing）是伴隨Windows窗口機制而產生的兩個復用代碼的方法。不要把“子類化、超類化”與面向對象語言中的派生類、基類混淆起來。“子類化、超類化”中的“類”是指Windows的窗口類。
0 運行程序
希望讀者在閱讀本節前先看看 "談談Windows程序中的字符編碼" 開頭的第0節和附錄0。第0節介紹了Windows系統的幾個重要模塊。附錄0概述了Windows的啟動過程，從上電到啟動Explorer.exe。本節介紹的是運行程序時發生的事情。
0.1 程序的啟動
當我們通過Explorer.exe運行一個程序時，Explorer.exe會調用CreateProcess函數請求系統為這個程序創建進程。當然，其它程序也可以調用CreateProcess函數創建進程。
系統在為進程分配內部資源，建立獨立的地址空間后，會為進程創建一個主線程。我們可以把進程看作單位，把線程看作員工。進程擁有資源，但真正在CPU上運行和調度的是線程。系統以掛起狀態創建主線程，即主線程創建好，不會立即運行，而是等待系統調度。系統向Win32子系統的管理員csrss.exe登記新創建的進程和線程。登記結束后，系統通知掛起的主線程可以運行，新程序才開始運行。
這時，在創建進程中CreateProcess函數返回；在被創建進程中，主線程在完成最后的初始化后進入程序的入口函數（Entry-point）。創建進程與被創建進程在各自的地址空間獨立運行。這時，即使我們結束創建進程，也不會影響被創建進程。
0.2 程序的執行
可執行文件（PE文件）的文件頭結構包含入口函數的地址。入口函數一般是Windows在運行時庫中提供的，我們在編譯時可以根據程序類型設定。 在VC中編譯、運行程序的小知識點 討論了Entry-point，讀者可以參考。
入口函數前的過程可以被看作程序的裝載過程。在裝載時，系統已經做過全局和靜態變量（在編譯時可以確定地址）的初始化，有初值的全局變量擁有了它們的初值，沒有初值的變量被設為0，我們可以在入口函數處設置斷點確認這一點。
進入入口函數后，程序繼續運行環境的建立，例如調用所有全局對象的構造函數。在一切就緒后，程序調用我們提供的主函數。主函數名是入口函數決定的，例如main或WinMain。如果我們沒有提供入口函數要求的主函數，編譯時就會產生鏈接錯誤。
0.3 進程和線程
我們通常把存儲介質（例如硬盤）上的可執行文件稱作程序。程序被裝載、運行后就成為進程。系統會為每個進程創建一個主線程，主線程通過入口函數進入我們提供的主函數。我們可以在程序中創建其它線程。
線程可以創建一個或多個窗口，也可以不創建窗口。系統會為有窗口的線程建立消息隊列。有消息隊列的線程就可以接收消息，例如我們可以用PostThreadMessage函數向線程發送消息。
沒有窗口的線程只要調用了PeekMessage或GetMessage，系統也會為它創建消息隊列。
1 窗口和消息
1.1 線程的消息隊列
每個運行的程序就是一個進程。每個進程有一個或多個線程。有的線程沒有窗口，有的線程有一個或多個窗口。
我們可以向線程發送消息，但大多數消息都是發給窗口的。發給窗口的消息同樣放在線程的消息隊列中。我們可以把線程的消息隊列看作信箱，把窗口看作收信人。我們在向指定窗口發送消息時，系統會找到該窗口所屬的線程，然后把消息放到該線程的消息隊列中。
線程消息隊列是系統內部的數據結構，我們在程序中看不到這個結構。但我們可以通過Windows的API向消息隊列發送、投遞消息；從消息隊列接收消息；轉換和分派接收到的消息。
1.2 最小的Windows程序
Windows的程序員大概都看過這么一個 最小的Windows程序 ：
// 例程1
#include "windows.h"
static const char m_szName[] = "窗口";
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 主窗口回調函數 如果直接用 DefWindowProc, 關閉窗口時不會結束消息循環
static LRESULT CALLBACK WindowProc(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
switch (uMsg) {
case WM_DESTROY:
PostQuitMessage(0); // 關閉窗口時發送WM_QUIT消息結束消息循環
break;
default:
return DefWindowProc(hWnd, uMsg, wParam, lParam);
}
return 0;
}
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 主函數
int __stdcall WinMain(HINSTANCE hInstance,HINSTANCE hPrevInstance,LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow)
{
WNDCLASS wc;
memset(&wc, 0, sizeof(WNDCLASS));
wc.style = CS_VREDRAW|CS_HREDRAW;
wc.lpfnWndProc = (WNDPROC)WindowProc;
wc.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
wc.hbrBackground = (HBRUSH)(COLOR_WINDOW);
wc.lpszClassName = m_szName;
RegisterClass(&wc); // 登記窗口類
HWND hWnd;
hWnd = CreateWindow(m_szName,m_szName,WS_OVERLAPPEDWINDOW,100,100,320,240,
NULL,NULL,hInstance,NULL); // 創建窗口
ShowWindow(hWnd, nCmdShow); // 顯示窗口
MSG sMsg;
while (int ret=GetMessage(&sMsg, NULL, 0, 0)) { // 消息循環
if (ret != -1) {
TranslateMessage(&sMsg);
DispatchMessage(&sMsg);
}
}
return 0;
}
這個程序雖然只顯示一個窗口，但經常被用來說明Windows程序的基本結構。在MFC框架內部我們同樣可以找到類似的程序結構。這個程序包含以下基本概念：
- 窗口類、窗口和窗口過程
- 消息循環
下面分別介紹。
1.3 窗口類、窗口和窗口過程
創建窗口時要提供窗口類的名字。窗口類相當于窗口的模板，我們可以基于同一個窗口類創建多個窗口。我們可以使用Windows預先登記好的窗口類。但在更多的情況下，我們要登記自己的窗口類。在登記窗口類時，我們要登記名稱、風格、圖標、光標、菜單等項，其中最重要的就是窗口過程的地址。
窗口過程是一個函數。窗口收到的所有消息都會被送到這個函數處理。那么，發到線程消息隊列的消息是怎么被送到窗口的呢？
1.4 消息循環
熟悉嵌入式多任務程序的程序員，都知道任務（相當于Windows的線程）的結構基本上都是：
while (1) {
等待信號;
處理信號;
}
任務收到信號就處理，否則就掛起，讓其它任務運行。這就是消息驅動程序的基本結構。Windows程序通常也是這樣：
while (int ret=GetMessage(&sMsg, NULL, 0, 0)) { // 消息循環
if (ret != -1) {
TranslateMessage(&sMsg);
DispatchMessage(&sMsg);
}
}
GetMessage從消息隊列接收消息；TranslateMessage根據按鍵產生WM_CHAR消息，放入消息隊列；DispatchMessage根據消息中的窗口句柄將消息分發到窗口，即調用窗口過程函數處理消息。
1.5 通過消息通信
創建窗口的函數會返回一個窗口句柄。窗口句柄在系統范圍內（不是進程范圍）標識一個唯一的窗口實例。通過向窗口發送消息，我們可以實現進程內和進程間的通信。
我們可以用SendMessage或PostMessage向窗口發送或投遞消息。SendMessage必須等到目標窗口處理過消息才會返回。我試過：如果向一個沒有消息循環的窗口SendMessage，SendMessage函數永遠不會返回。PostMessage在把消息放入線程的消息隊列后立即返回。
其實只有投遞的消息才是通過DispatchMessage分派到窗口過程的。通過SendMessage發送的消息，在線程GetMessage時，就已經被分派到窗口過程了，不經過DispatchMessage。
1.5.1 窗口程序與控制臺程序的通信實例
大家是不是覺得“例程1”沒什么意思，讓我們用它來做個小游戲：讓“例程1”和一個控制臺程序做一次親密接觸。我們首先將“例程1”的窗口過程修改為：
static LRESULT CALLBACK WindowProc(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
static DWORD tid = 0;
switch (uMsg) {
case WM_DESTROY:
PostQuitMessage(0); // 關閉窗口時發送WM_QUIT消息結束消息循環
break;
case WM_USER:
tid = wParam; // 保存控制臺程序的線程ID
SetWindowText(hWnd, "收到");
break;
case WM_CHAR:
if (tid) {
switch(wParam) {
case '1':
PostThreadMessage(tid, WM_USER+1, 0, 0); // 向控制臺程序發送消息1
break;
case '2':
PostThreadMessage(tid, WM_USER+2, 0, 0); // 向控制臺程序發送消息2
break;
}
}
break;
default:
return DefWindowProc(hWnd, uMsg, wParam, lParam);
}
return 0;
}
然后，我們創建一個 控制臺程序 ，代碼如下：
#include "windows.h"
#include "stdio.h"
static HWND m_hWnd = 0;
void process_msg(UINT msg, WPARAM wp, LPARAM lp)
{
char buf[100];
static int i = 1;
if (!m_hWnd) {
return;
}
switch (msg) {
case WM_USER+1:
SendMessage(m_hWnd, WM_GETTEXT, sizeof(buf), (LPARAM)buf);
printf("你現在叫:%s\n\n", buf); // 讀取、顯示對方的名字
break;
case WM_USER+2:
sprintf(buf, "我是窗口%d", i++);
SendMessage(m_hWnd, WM_SETTEXT, sizeof(buf), (LPARAM)buf); // 修改對方名字
printf("給你改名\n\n");
break;
}
}
int main()
{
MSG sMsg;
printf("Start with thread id %d\n", GetCurrentThreadId());
m_hWnd = FindWindow(NULL,"窗口");
if (m_hWnd) {
printf("找到窗口%x\n\n", m_hWnd);
SendMessage(m_hWnd, WM_USER, GetCurrentThreadId(), 0);
}
else {
printf("沒有找到窗口\n\n");
}
while (int ret=GetMessage(&sMsg, NULL, 0, 0)) { // 消息循環
if (ret != -1) {
process_msg(sMsg.message, sMsg.wParam, sMsg.lParam);
}
}
return 0;
}
大家能看懂這游戲怎么玩嗎？首先運行“例程1”wnd，然后運行控制臺程序msg。msg會找到wnd的窗口，并將自己的主線程ID發給wnd。wnd收到msg的消息后，會顯示收到。這時，wnd和msg已經建立了通信的渠道：wnd可以向msg的主線程發消息，msg可以向wnd的窗口發消息。
我們如果在wnd窗口按下鍵'1'，wnd會向msg發送消息1，msg收到后會通過WM_GETTEXT消息獲得wnd的窗口名稱并顯示。我們如果在wnd窗口按下鍵'2'，wnd會向msg發送消息2，msg收到后會通過WM_SETTEXT消息修改wnd的窗口名稱。
這個小例子演示了控制臺程序的消息循環，向線程發消息，以及進程間的消息通信。
1.5.2 地址空間的問題
不同的進程擁有獨立的地址空間，如果我們在消息參數中包含一個進程A的地址，然后發送到進程B。進程B如果在自己的地址空間里操作這個地址，就會發生錯誤。那么，為什么上例中的WM_GETTEXT和WM_SETEXT可以正常工作？
這是因為WM_GETTEXT和WM_SETEXT都是Windows自己定義的消息，Windows知道參數的含義，并作了特殊的處理，即在進程B的空間分配一塊內存作為中轉，并在進程A和進程B的緩沖區之間復制數據。例如：在1.5.1節的例子中，如果我們設置斷點觀察，就會發現msg發送的WM_SETTEXT消息中的lParam不等于wnd接收到的WM_SETTEXT消息中的lParam。
如果我們在自己定義的消息中傳遞內存地址，系統不會做任何特殊處理，所以必然發生錯誤。
Windows提供了WM_COPYDATA消息用來向窗口傳遞數據，Windows同樣會為這個消息作特殊處理。
在進程間發送這些需要額外分配內存的消息時，我們應該用SendMessage，而不是PostMessage。因為SendMessage會等待接收方處理完后再返回，這樣系統才有機會額外釋放分配的內存。在這種場合使用PostMessage，系統會忽略要求投遞的消息，讀者可以在msg程序中試驗一下。
2 子類化和超類化
窗口類是窗口的模板，窗口是窗口類的實例。窗口類和每個窗口實例都有自己的內部數據結構。Windows雖然沒有公開這些數據結構，但提供了讀寫這些數據的API。
例如：用GetClassLong和SetClassLong函數可以讀寫窗口類的數據；用GetWindowLong和SetWindowLong可以讀寫指定窗口實例的數據。使用這些接口，可以在運行時讀取或修改窗口類或窗口實例的窗口過程地址。這些接口是子類化的實現基礎。
2.1 子類化
子類化的目的是在不修改現有代碼的前提下，擴展現有窗口的功能。它的思路很簡單，就是將窗口過程地址修改為一個新函數地址，新的窗口過程函數處理自己感興趣的消息，將其它消息傳遞給原窗口過程。通過子類化，我們不需要現有窗口的源代碼，就可以定制窗口功能。
子類化可以分為實例子類化和全局子類化。實例子類化就是修改窗口實例的窗口過程地址，全局子類化就是修改窗口類的窗口過程地址。實例子類化只影響被修改的窗口。全局子類化會影響在修改之后，按照該窗口類創建的所有窗口。顯然，全局子類化不會影響修改前已經創建的窗口。
子類化方法雖然是二十年前的概念，卻很好地實踐了面向對象技術的開閉原則（OCP：The Open-Closed Principle）：對擴展開放，對修改關閉。
2.2 超類化
超類化的概念更簡單，就是讀取現有窗口類的數據，保存窗口過程函數地址。對窗口類數據作必要的修改，設置新窗口過程，再換一個名稱后登記一個新窗口類。新窗口類的窗口過程函數還是僅處理自己感興趣的消息，而將其它消息傳遞給原窗口過程函數處理。使用GetClassInfo函數可以讀取現有窗口類的數據。
3 MFC中的消息循環和子類化
MFC將子類化方法應用得淋漓盡致，是一個不錯的例子。候捷先生的《深入淺出MFC》已經將MFC的主要框架分析得很透徹了，本節只是看看MFC的消息循環，簡單分析MFC對子類化的應用。
3.1 消息循環
隨便建立一個 MFC單文檔程序 ，在視圖類中添加WM_RBUTTONDOWN的處理函數，并在該處理函數中設置斷點。運行，斷下后，查看調用堆棧：
CHelloView::OnRButtonDown(unsigned int, CPoint)
CWnd::OnWndMsg(unsigned int, unsigned int, long, long *)
CWnd::WindowProc(unsigned int, unsigned int, long)
AfxCallWndProc(CWnd *, HWND__ *, unsigned int, unsigned int, long)
AfxWndProc(HWND__ *, unsigned int, unsigned int, long)
AfxWndProcBase(HWND__ *, unsigned int, unsigned int, long)
USER32! 7e418734()
USER32! 7e418816()
USER32! 7e4189cd()
USER32! 7e4196c7()
CWinThread::PumpMessage()
CWinThread::Run()
CWinApp::Run()
AfxWinMain(HINSTANCE__ *, HINSTANCE__ *, char *, int)
WinMain(HINSTANCE__ *, HINSTANCE__ *, char *, int)
WinMainCRTStartup()
KERNEL32! 7c816fd7()
WinMainCRTStartup是這個程序的入口函數。候捷先生已經詳細介紹過AfxWinMain。我們就看看CWinThread::PumpMessage中的消息循環：
BOOL CWinThread::PumpMessage()
{
if (!::GetMessage(&m_msgCur, NULL, NULL, NULL)) {
return FALSE;
}
if (m_msgCur.message != WM_KICKIDLE && !PreTranslateMessage(&m_msgCur))
{
::TranslateMessage(&m_msgCur);
::DispatchMessage(&m_msgCur);
}
return TRUE;
}
這就是MFC程序主線程中的消息循環，它把發送到線程消息隊列的消息分派到線程的窗口。
3.2 子類化
CWnd::CreateEx在創建窗口前調用SetWindowsHookEx函數安裝了一個鉤子函數_AfxCbtFilterHook。窗口剛創建好，鉤子函數_AfxCbtFilterHook就被調用。_AfxCbtFilterHook調用SetWindowLong將窗口過程替換為AfxWndProcBase，并將SetWindowLong返回的原窗口地址保存到成員變量oldWndProc。上節調用堆棧中的AfxWndProcBase就是由此而來。
可見，通過CWnd::CreateEx創建的所有窗口都會被子類化，即它們的窗口過程都會被替換為AfxWndProcBase。MFC為什么要這樣做？
讓我們再看看調用堆棧中的CWnd::WindowProc函數：
LRESULT CWnd::WindowProc(UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
LRESULT lResult = 0;
if (!OnWndMsg(message, wParam, lParam, &lResult))
lResult = DefWindowProc(message, wParam, lParam);
return lResult;
}
按照侯捷先生的介紹，CWnd::OnWndMsg就是“MFC消息泵”的入口，消息通過這個入口流入MFC消息映射中的消息處理函數。消息泵只會處理我們定制過的消息，我們沒有添加過處理的消息會原封不動地流過"消息泵"，進入DefWindowProc函數。在DefWindowProc函數中，消息會傳給子類化時保存的原窗口地址oldWndProc。
CWnd::CreateEx里的鉤子會子類化所有窗口嗎？其實不盡然。的確，MFC所有窗口相關的類都是從CWnd派生的，這些類的實例在創建窗口時都會調用CWnd::CreateEx，都會被子類化。但是，通過對話框模板創建的窗口是通過CreateDlgIndirect創建的，不經過CWnd::CreateEx函數。
但這點其實也不是問題，因為如果我們想通過MFC定制一個控件的消息映射，就必須先子類化這個控件，MFC還是有機會將窗口過程替換成自己的AfxWndProcBase。下一節將介紹對話框控件的子類化。
4 子類化和超類化的例子
我寫了一個很簡單的對話框程序，用來演示 子類化和超類化 。這個對話框程序有兩個編輯框，我將編輯框的右鍵菜單換成了一個消息框。兩個編輯框的定制分別采用了子類化和超類化技術：
4.1 子類化的例子
首先從CEdit派生出CMyEdit1，定制WM_RBUTTONDOWN的處理。很多文章都建議我們在對話框的OnInitDialog中用SubclassDlgItem實現子類化：
m_edit1.SubclassDlgItem(IDC_EDIT1, this);
這樣做當然可以。其實如果我們已經為IDC_EDIT1添加過CMyEdit1對象：
void CSubclassingDlg::DoDataExchange(CDataExchange* pDX)
{
CDialog::DoDataExchange(pDX);
//{{AFX_DATA_MAP(CSubclassingDlg)
DDX_Control(pDX, IDC_EDIT1, m_edit1);
//}}AFX_DATA_MAP
}
DDX_Control會自動幫我們完成子類化，沒有必要手工調用SubclassDlgItem。大家可以通過在PreSubclassWindow中設置斷點看看。
通過DDX_Control或者SubclassDlgItem子類化控件的效果是一樣的，MFC都是把窗口過程替換成AfxWndProcBase。用戶添加過處理函數的消息通過MFC消息泵流入用戶的處理函數。
4.2 必經之路：PreSubclassWindow
PreSubclassWindow是一個很好的定制控件的位置。如果我們通過重載CWnd::PreCreateWindow定制控件，而用戶在對話框中使用控件。由于對話框中的控件窗口是通過CreateDlgIndirect創建，不經過CWnd::CreateEx函數，PreCreateWindow函數不會被調用。
其實，用戶要在對話框中使用定制控件，必須用DDX或者SubclassDlgItem函數子類化控件，這時PreSubclassWindow一定會被調用。
如果用戶直接創建定制控件窗口，CWnd::CreateEx函數就一定會被調用，控件窗口一定會被子類化以安裝MFC消息泵。所以在MFC中，PreSubclassWindow是創建窗口的必經之路。
4.3 超類化的例子
我很少看到超類化的例子（除了羅云彬的Win32匯編），在大多數應用中，子類化技術已經足夠了。但我還是寫了一個例子：CMyEdit2從CEdit派生。CMyEdit2::RegisterMe獲取窗口類Edit的信息，保存原窗口過程，設置新窗口過程MyWndProc和新名稱MyEdit，登記一個新窗口類。新窗口過程MyWndProc定制自己需要處理的消息，將其它消息送回原窗口過程。
我在對話框的OnInitDialog中先調用CMyEdit2::RegisterMe登記新窗口類，然后創建窗口。這樣創建窗口必須經過CWnd::CreateEx，所以MFC還是會把窗口過程換成AfxWndProcBase。沒有被MFC消息映射攔截的消息才會流入MyWndProc。
5 結束語
這篇文章介紹了一些Windows和MFC的基礎知識。寫這篇文章的目的不是介紹什么編程技巧，而是讓我們更了解程序運行時發生的事情。惟有深入其中，方能跳出其外，不受羈絆。
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