眼見為實(2)：介紹Windows的視窗、消息、子類化和超類化

這篇文章本來隻是想介紹一下子類化和超類化這兩個比較“生僻”的名詞。為了叙述的完整性而讨論了Windows的視窗和消息，也簡要讨論了程序和線程。子類化（Subclassing）和超類化（Superclassing）是伴随Windows視窗機制而産生的兩個複用代碼的方法。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的視窗類。

0 運作程式

希望讀者在閱讀本節前先看看​​"談談Windows程式中的字元編碼"​​開頭的第0節和附錄0。第0節介紹了Windows系統的幾個重要子產品。附錄0概述了Windows的啟動過程，從上電到啟動Explorer.exe。本節介紹的是運作程式時發生的事情。

0.1 程式的啟動

當我們通過Explorer.exe運作一個程式時，Explorer.exe會調用CreateProcess函數請求系統為這個程式建立程序。當然，其它程式也可以調用CreateProcess函數建立程序。

系統在為程序配置設定内部資源，建立獨立的位址空間後，會為程序建立一個主線程。我們可以把程序看作機關，把線程看作員工。程序擁有資源，但真正在CPU上運作和排程的是線程。系統以挂起狀态建立主線程，即主線程建立好，不會立即運作，而是等待系統排程。系統向Win32子系統的管理者csrss.exe登記新建立的程序和線程。登記結束後，系統通知挂起的主線程可以運作，新程式才開始運作。

這時，在建立程序中CreateProcess函數傳回；在被建立程序中，主線程在完成最後的初始化後進入程式的入口函數（Entry-point）。建立程序與被建立程序在各自的位址空間獨立運作。這時，即使我們結束建立程序，也不會影響被建立程序。

0.2 程式的執行

可執行檔案（PE檔案）的檔案頭結構包含入口函數的位址。入口函數一般是Windows在運作時庫中提供的，我們在編譯時可以根據程式類型設定。​​在VC中編譯、運作程式的小知識點​​讨論了Entry-point，讀者可以參考。

入口函數前的過程可以被看作程式的裝載過程。在裝載時，系統已經做過全局和靜态變量（在編譯時可以确定位址）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定斷點确認這一點。

進入入口函數後，程式繼續運作環境的建立，例如調用所有全局對象的構造函數。在一切就緒後，程式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，編譯時就會産生連結錯誤。

0.3 程序和線程

我們通常把存儲媒體（例如硬碟）上的可執行檔案稱作程式。程式被裝載、運作後就成為程序。系統會為每個程序建立一個主線程，主線程通過入口函數進入我們提供的主函數。我們可以在程式中建立其它線程。

線程可以建立一個或多個視窗，也可以不建立視窗。系統會為有視窗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。

沒有視窗的線程隻要調用了PeekMessage或GetMessage，系統也會為它建立消息隊列。

1 視窗和消息

1.1 線程的消息隊列

每個運作的程式就是一個程序。每個程序有一個或多個線程。有的線程沒有視窗，有的線程有一個或多個視窗。

我們可以向線程發送消息，但大多數消息都是發給視窗的。發給視窗的消息同樣放線上程的消息隊列中。我們可以把線程的消息隊列看作信箱，把視窗看作收信人。我們在向指定視窗發送消息時，系統會找到該視窗所屬的線程，然後把消息放到該線程的消息隊列中。

線程消息隊列是系統内部的資料結構，我們在程式中看不到這個結構。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程式

Windows的程式員大概都看過這麼一個​​最小的Windows程式​​：

// 例程1      

#include "windows.h"      

static const char m_szName[] = "視窗";      

// 主視窗回調函數 如果直接用 DefWindowProc, 關閉視窗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); // 關閉視窗時發送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);    // 登記視窗類      

HWND hWnd;      

hWnd = CreateWindow(m_szName,m_szName,WS_OVERLAPPEDWINDOW,100,100,320,240,      

NULL,NULL,hInstance,NULL);  // 建立視窗      

ShowWindow(hWnd, nCmdShow);   // 顯示視窗      

MSG sMsg;      

while (int ret=GetMessage(&sMsg, NULL, 0, 0)) {    // 消息循環      

if (ret != -1) {      

TranslateMessage(&sMsg);      

DispatchMessage(&sMsg);      

}      

}      

return 0;      

}      

這個程式雖然隻顯示一個視窗，但經常被用來說明Windows程式的基本結構。在MFC架構内部我們同樣可以找到類似的程式結構。這個程式包含以下基本概念：

• 視窗類、視窗和視窗過程
• 消息循環

下面分别介紹。

1.3 視窗類、視窗和視窗過程

建立視窗時要提供視窗類的名字。視窗類相當于視窗的模闆，我們可以基于同一個視窗類建立多個視窗。我們可以使用Windows預先登記好的視窗類。但在更多的情況下，我們要登記自己的視窗類。在登記視窗類時，我們要登記名稱、風格、圖示、光标、菜單等項，其中最重要的就是視窗過程的位址。

視窗過程是一個函數。視窗收到的所有消息都會被送到這個函數處理。那麼，發到線程消息隊列的消息是怎麼被送到視窗的呢？

1.4 消息循環

熟悉嵌入式多任務程式的程式員，都知道任務（相當于Windows的線程）的結構基本上都是：

while (1) {      

等待信号;      

處理信号;      

}      

任務收到信号就處理，否則就挂起，讓其它任務運作。這就是消息驅動程式的基本結構。Windows程式通常也是這樣：

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根據按鍵産生WM_CHAR消息，放入消息隊列；DispatchMessage根據消息中的視窗句柄将消息分發到視窗，即調用視窗過程函數處理消息。

1.5 通過消息通信

建立視窗的函數會傳回一個視窗句柄。視窗句柄在系統範圍内（不是程序範圍）辨別一個唯一的視窗執行個體。通過向視窗發送消息，我們可以實作程序内和程序間的通信。

我們可以用SendMessage或PostMessage向視窗發送或投遞消息。SendMessage必須等到目标視窗處理過消息才會傳回。我試過：如果向一個沒有消息循環的視窗SendMessage，SendMessage函數永遠不會傳回。PostMessage在把消息放入線程的消息隊列後立即傳回。

其實隻有投遞的消息才是通過DispatchMessage分派到視窗過程的。通過SendMessage發送的消息，線上程GetMessage時，就已經被分派到視窗過程了，不經過DispatchMessage。

1.5.1 視窗程式與控制台程式的通信執行個體

大家是不是覺得“例程1”沒什麼意思，讓我們用它來做個小遊戲：讓“例程1”和一個控制台程式做一次親密接觸。我們首先将“例程1”的視窗過程修改為：

static LRESULT CALLBACK WindowProc(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam)      

{      

static DWORD tid = 0;      

switch (uMsg) {      

case WM_DESTROY:      

PostQuitMessage(0); // 關閉視窗時發送WM_QUIT消息結束消息循環      

break;      

case WM_USER:      

tid = wParam; // 儲存控制台程式的線程ID      

SetWindowText(hWnd, "收到");      

break;      

case WM_CHAR:      

if (tid) {      

switch(wParam) {      

case '1':      

PostThreadMessage(tid, WM_USER+1, 0, 0);  // 向控制台程式發送消息1      

break;      

case '2':      

PostThreadMessage(tid, WM_USER+2, 0, 0);  // 向控制台程式發送消息2      

break;      

}
    }      

break;      

default:      

return DefWindowProc(hWnd, uMsg, wParam, lParam);      

}      

return 0;      

}      

然後，我們建立一個​​控制台程式​​，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, "我是視窗%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,"視窗");      

if (m_hWnd) {      

printf("找到視窗%x/n/n", m_hWnd);      

SendMessage(m_hWnd, WM_USER, GetCurrentThreadId(), 0);      

}      

else {      

printf("沒有找到視窗/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;      

}      

大家能看懂這遊戲怎麼玩嗎？首先運作“例程1”wnd，然後運作控制台程式msg。msg會找到wnd的視窗，并将自己的主線程ID發給wnd。wnd收到msg的消息後，會顯示收到。這時，wnd和msg已經建立了通信的管道：wnd可以向msg的主線程發消息，msg可以向wnd的視窗發消息。

我們如果在wnd視窗按下鍵'1'，wnd會向msg發送消息1，msg收到後會通過WM_GETTEXT消息獲得wnd的視窗名稱并顯示。我們如果在wnd視窗按下鍵'2'，wnd會向msg發送消息2，msg收到後會通過WM_SETTEXT消息修改wnd的視窗名稱。

這個小例子示範了控制台程式的消息循環，向線程發消息，以及程序間的消息通信。

1.5.2 位址空間的問題

不同的程序擁有獨立的位址空間，如果我們在消息參數中包含一個程序A的位址，然後發送到程序B。程序B如果在自己的位址空間裡操作這個位址，就會發生錯誤。那麼，為什麼上例中的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，即在程序B的空間配置設定一塊記憶體作為中轉，并在程序A和程序B的緩沖區之間複制資料。例如：在1.5.1節的例子中，如果我們設定斷點觀察，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記憶體位址，系統不會做任何特殊處理，是以必然發生錯誤。

Windows提供了WM_COPYDATA消息用來向視窗傳遞資料，Windows同樣會為這個消息作特殊處理。

在程序間發送這些需要額外配置設定記憶體的消息時，我們應該用SendMessage，而不是PostMessage。因為SendMessage會等待接收方處理完後再傳回，這樣系統才有機會額外釋放配置設定的記憶體。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程式中試驗一下。

2 子類化和超類化

視窗類是視窗的模闆，視窗是視窗類的執行個體。視窗類和每個視窗執行個體都有自己的内部資料結構。Windows雖然沒有公開這些資料結構，但提供了讀寫這些資料的API。

例如：用GetClassLong和SetClassLong函數可以讀寫視窗類的資料；用GetWindowLong和SetWindowLong可以讀寫指定視窗執行個體的資料。使用這些接口，可以在運作時讀取或修改視窗類或視窗執行個體的視窗過程位址。這些接口是子類化的實作基礎。

2.1 子類化

子類化的目的是在不修改現有代碼的前提下，擴充現有視窗的功能。它的思路很簡單，就是将視窗過程位址修改為一個新函數位址，新的視窗過程函數處理自己感興趣的消息，将其它消息傳遞給原視窗過程。通過子類化，我們不需要現有視窗的源代碼，就可以定制視窗功能。

子類化可以分為執行個體子類化和全局子類化。執行個體子類化就是修改視窗執行個體的視窗過程位址，全局子類化就是修改視窗類的視窗過程位址。執行個體子類化隻影響被修改的視窗。全局子類化會影響在修改之後，按照該視窗類建立的所有視窗。顯然，全局子類化不會影響修改前已經建立的視窗。

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）：對擴充開放，對修改關閉。

2.2 超類化

超類化的概念更簡單，就是讀取現有視窗類的資料，儲存視窗過程函數位址。對視窗類資料作必要的修改，設定新視窗過程，再換一個名稱後登記一個新視窗類。新視窗類的視窗過程函數還是僅處理自己感興趣的消息，而将其它消息傳遞給原視窗過程函數處理。使用GetClassInfo函數可以讀取現有視窗類的資料。

3 MFC中的消息循環和子類化

MFC将子類化方法應用得淋漓盡緻，是一個不錯的例子。候捷先生的《深入淺出MFC》已經将MFC的主要架構分析得很透徹了，本節隻是看看MFC的消息循環，簡單分析MFC對子類化的應用。

3.1 消息循環

随便建立一個​​MFC單文檔程式​​，在視圖類中添加WM_RBUTTONDOWN的處理函數，并在該處理函數中設定斷點。運作，斷下後，檢視調用堆棧：

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是這個程式的入口函數。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程式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視窗。

3.2 子類化

CWnd::CreateEx在建立視窗前調用SetWindowsHookEx函數安裝了一個鈎子函數_AfxCbtFilterHook。視窗剛建立好，鈎子函數_AfxCbtFilterHook就被調用。_AfxCbtFilterHook調用SetWindowLong将視窗過程替換為AfxWndProcBase，并将SetWindowLong傳回的原視窗位址儲存到成員變量oldWndProc。上節調用堆棧中的AfxWndProcBase就是由此而來。

可見，通過CWnd::CreateEx建立的所有視窗都會被子類化，即它們的視窗過程都會被替換為AfxWndProcBase。MFC為什麼要這樣做？

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。消息泵隻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儲存的原視窗位址oldWndProc。

CWnd::CreateEx裡的鈎子會子類化所有視窗嗎？其實不盡然。的确，MFC所有視窗相關的類都是從CWnd派生的，這些類的執行個體在建立視窗時都會調用CWnd::CreateEx，都會被子類化。但是，通過對話框模闆建立的視窗是通過CreateDlgIndirect建立的，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還是有機會将視窗過程替換成自己的AfxWndProcBase。下一節将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式，用來示範​​子類化和超類化​​。這個對話框程式有兩個編輯框，我将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别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實作子類化：

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中設定斷點看看。

通過DDX_Control或者SubclassDlgItem子類化控件的效果是一樣的，MFC都是把視窗過程替換成AfxWndProcBase。使用者添加過處理函數的消息通過MFC消息泵流入使用者的處理函數。

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，而使用者在對話框中使用控件。由于對話框中的控件視窗是通過CreateDlgIndirect建立，不經過CWnd::CreateEx函數，PreCreateWindow函數不會被調用。

其實，使用者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。

如果使用者直接建立定制控件視窗，CWnd::CreateEx函數就一定會被調用，控件視窗一定會被子類化以安裝MFC消息泵。是以在MFC中，PreSubclassWindow是建立視窗的必經之路。

4.3 超類化的例子

5 結束語