系统理解Win32 API和MFC(转)

系统理解Win32 API和MFC(上)
作者: 温昱
作者主页: lcspace.diy.163.com

Win32 API是微软的操作系统Windows提供给开发人员的编程接口，它决定了我们开发的Windows应用程序的能力。MFC是微软为开发人员提供的类库，在某种意义上是对Win32 API的封装。本文试图从全局角度对Win32 API和MFC进行理解──给出二者的概念模型。
本文使用UML描述概念模型。Win32 API本不是面向对象的，我用面向对象的观点去理解它，无非是想表达其全局。
本文参考了MSDN、相关书籍和网上的一些资料，在此一并感谢。

一、Win32 API的概念模型

Win32 API的object有3种：user obj，gdi obj，kernel obj。但是，如果一点不考虑OS本身的支持，就会在有些问题上疑惑，因此，我这里把“operation system负责将中断封装成message”加上。

1、user obj、gdi obj、kernel obj、system 4者的关系

由于是kernel obj部分负责将另外3者联系起来，因此我们在下图中直接深入到kernel obj部分内部。

从图中看到，在内存中运行的，除了“负责将中断封装成message”的system支持部分，还有另外3类object：kernel obj、user obj和gdi obj，每个obj都有一个句柄handle与之对应。其中，gdi obj建立了待开发的Windows 应用和外部输出设备的联系，kernel obj中的file建立了内存和永久存储设备的联系。具体说，内存中的file从可以从硬盘上来，如果这个file是可执行文件，它将生成 module，module运行起来就是process，process可以包含多条thread，而thread的运行映象最终还是来自于file。 thread是kernel obj中最重要的一个，因为消息队列就是thread拥有的，只有thread才能够接受message。对gdi obj、urser obj和file的操作，也是发生在thread中的。所以书都讲，process至少拥有一个thread。

2、展开“system负责将中断封装成message”部分

下面展开“system负责将中断封装成message”部分，尽早解除对“message到底是怎么形成的”的困惑。


3、展开“gdi obj”部分

开发人员可以通过gdi obj将app的信息反馈给User。

从图中看到，gdi obj有8种，其中7种为：bmp，brush，pen，region，font，palette，path。另一种比较特殊的是DC，它可以被理解为一 种容器，程序员通过调用SelectPallette()将pallte放入容器，通过调用BeginPath()和EndPath()将path放入容 器，其它5种gdi obj，是通过调用SelectObject()放入容器的。DC又具体分为4种，其中DisplayDC就是最常用的用来支持我们“画Window”的 DC。 另外，如果觉得不好理解，请参考composite设计模式。

4、展开user obj部分

4.1 第1次迭代

window在Windows应用开发中占有重要地位。

从图中看到，window可分为3种：desktop，top-level window，child window。所有window被OS组织成tree，有专门的数据结构来管理。desktop就是树根，desktop的子节点是top-level window，top-level window的子节点是child window，child window仍然可以有子节点，同样归属于child window。tree数据结构中还记录了4种重要信息，是4种指针：parent指针、child指针、brother指针、owner指针。这样，从 任何一个window就能很容易地找到其它window了。

好了，暂且得到 window = desktop + topLevel + child 的结论，看看全局先。毕竟，一步到位有时候并不好。
从图中看到，window确实占有重要地位。从逻辑是讲，thread是window的拥有者；但是，所有window一起决定了屏幕看起来是上面样子， 何况点击任何一个window都会使window得相互覆盖关系发生变化，对所用window进行统一管理是必须的，所以OS又不得不统一用window tree来管理window，反映复杂的window关系。每个window都必须有一个且只能有一个客户区，还可能有一个title bar。 再来看看CreateWindow()函数的interface spec透露了哪些信息。
从图中看到，CreateWindow()负责为window建立与窗口类的联系。每个window都有一个窗口类与之对应，而一个窗口类可以对应多个 window。窗口类中记录了窗口函数和菜单等资源信息，而由file生成的module正是窗口函数和资源的老家。 4.2 第2次迭代

考察消息种类。

从图中看到，每个message都是发送给某个window的。注意，msg可由SYS代码产生，也可以由API函数产生。

进一步考察window，深入topLevel和child。

从图中看到，OVERLAPPED风格的window是top-level window的一种，而另一种POPUP风格的window从本质上(行为上)是特殊的一种OVERLAPPED风格的window，虽然我们从 coding的角度常常不这么认为。

还是不好，因为当我们调用CreateWindow() API函数时，明明感觉CHILD、OVERLAPPED、POPUP是“window style”。我再画一张图。

从图中看到，control必须是CHILD风格的，dialog必须是POPUP风格的，而一般性的window却可以是任意风格的。

4.3 第3次迭代

总结user obj:


CreateDialog()函数示意:

从图中看到，CreateDialog()和CreateWindow()最大的区别就是，它有对话框模板支持方便地定制dialog界面。注意，Dialog是特殊的window，窗口类它一定也是有的。

 

二、MFC的概念模型

前面我们研究了WIN32 API的“领域模型”，对它有较全面的认识。下面，对MFC概念模型的研究，我们把重点放在对app framework的研究上。
app framework中的message响应/传递机制是最重要的。而Hook机制和Message响应/传递机制是密切相关的，后者以前者为基础。

1. Hook机制

也许有些程序员只知道hook机制可以编写很“牛”的应用，孰不知MFC本身也是依靠hook机制的。

从图中看到，每个hook拥有一个指针队列，每个指针指向一个称为的HookProc函数，HookProc将在合适的时机被OS调用执行。hook是分 不同种类的，其实正是hook的种类决定了它什么时机被OS调用执行。提示，可以看一下“订阅-发布”设计模式以助理解。

2 MFC中Message响应函数的安装

2.1 回忆API中Message响应函数的安装

API中Message响应函数的安装，是由CreateWindow()实现的，它将window与一个windowClass联系起来，而后者中记录了Message响应函数的指针。
至于细节，看一下如何用Win32 SDK或Win16 SDK写程序就清楚了，其中 DefWindowProc()是API函数，负责提供缺省的消息处理，所以，程序员只需要handle需要特殊处理的消息。

int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance,HINSTANCE hPrevInstance,PSTR szCmdLine,int iCmdShow)
{
            WNDCLASS wndclass;
            ...
            wndclass.lpfnWndProc =WndProc;
            wndclass.lpszClassName = szWindowClass;
            ...
            RegisterClass(&wndclass);
            hWnd = CreateWindow( szWindowClass, ...);
            ...
}

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hwnd,UINT message,WPARAM wParam,LPARAM lParam)
{
            switch(message)
            {
                        ...
                        return;
            }
            return DefWindowProc(hwnd,message,wParam,lParam);
}

2.2 MFC中Message响应函数的安装

MFC中Message响应函数的安装显然更复杂，是在CWnd::CreateEx()被调用时完成的，其中还用到了Hook机制。

我们可以先猜一下MFC是怎么做的。MFC支持massage map，使得对消息的响应份散到多个message handler函数中，而不是API开发是那种集中式的消息处理函数；所以，想必会有专门的代码来负责“检索message map table然后调用message handle”。message map是为了支持程序员处理他关心的特殊message的，那么缺省的message处理逻辑在哪里呢？答案是MFC创建window obj时是用的“预定义的窗口类”，自然已经有了缺省的message处理函数。

从图中看到，CWnd有成员变量m_pfnSuper、成员变量m_hWnd、成员函数OnWndMsg()和成员函数DefWindowProc()。Wnd::OnWndMsg()负责“在message map中定义的message handle”能否处理到来的message，如果处理了要返回true；CWnd::DefWindowProc()负责对message缺省处理。
执行过程是，首先CWnd::CreateEx()被调用，window obj和window class被相应建立，此时window class的WindowProc字段存储了预定义的缺省处理函数的地址；由于有hook在监听窗口创建消息，所以注册的hookProc()会被调用执 行，它将classWindow数据结构的WindowProc字段备份到CWnd::m_pfnSuper，再用SetWindowLong()改写 classWindow数据结构的WindowProc字段为::AfxWndProc()的地址。当任何一个message到达 时，::AfxWndProc()被调用，至于它的逻辑，聪明的你一定猜到了，先调用Wnd::OnWndMsg()，如果返回值为false，还要调用 CWnd::DefWindowProc()，CWnd::m_pfnSuper指向的缺省处理逻辑，也会在CWnd::DefWindowProc() 中被调用。
提示，上面其实有多态情况发生。比如你可以在搜一下pWnd->WindowProc(nMsg, wParam, lParam); 另外，OnWndMsg和DefWindowProc都是CWnd类的虚拟函数。

要是觉得不太好理解，最好在VC++里创建一个project实际跟踪一下，下面是我跟踪时调用栈映象的截图。


3. SubClass机制

从图中看到，SubClass机制以CWnd自身的m_pfnSuper为基础，和“MFC中Message响应函数的安装”很象。

4.frame work中的主要相关类

frame work中的主要相关类 就是 message route的候选人，正是它们的OnCmdMsg()共同完成了message route，形成了chain of responsability模式。

5. frame work中的chain of responsability模式

下图是一个对象树，注意消息会在纵向和横向两个方向传播。

消息在纵向方向上的传递，是在“上溯父类的massge map表”，MFC的message map完全是为了代替虚函数而采取的手段，而和message route无关。

消息在横向方向上的传递，才是message route，才是chain of responsability模式，由多个相关类的OnCmdMsg()共同完成。

三、 总结
从上面的讨论不难发现，MFC中用到了不少设计模式，如上面提到的chain of responsability模式、composite模式和“订阅-发布”模式。上面的讨论不仅有助于程序员全面掌握Win32 API和MFC，对architect设计architecture也有很大帮助。