眼见为实(2)：介绍Windows的窗口、消息、子类化和超类化
眼见为实(2)：介绍Windows的窗口、消息、子类化和超类化
这篇文章本来只是想介绍一下子类化和超类化这两个比较“生僻”的名词。为了叙述的完整性而讨论了Windows的窗口和消息，也简要讨论了进程和线程。子类化（Subclassing）和超类化（Superclassing）是伴随Windows窗口机制而产生的两个复用代码的方法。不要把“子类化、超类化”与面向对象语言中的派生类、基类混淆起来。“子类化、超类化”中的“类”是指Windows的窗口类。
0 运行程序
希望读者在阅读本节前先看看"谈谈Windows程序中的字符编码"开头的第0节和附录0。第0节介绍了Windows系统的几个重要模块。附录0概述了Windows的启动过程，从上电到启动Explorer.exe。本节介绍的是运行程序时发生的事情。
0.1 程序的启动
当我们通过Explorer.exe运行一个程序时，Explorer.exe会调用CreateProcess函数请求系统为这个程序创建进程。当然，其它程序也可以调用CreateProcess函数创建进程。
系统在为进程分配内部资源，建立独立的地址空间后，会为进程创建一个主线程。我们可以把进程看作单位，把线程看作员工。进程拥有资源，但真正在CPU上运行和调度的是线程。系统以挂起状态创建主线程，即主线程创建好，不会立即运行，而是等待系统调度。系统向Win32子系统的管理员csrss.exe登记新创建的进程和线程。登记结束后，系统通知挂起的主线程可以运行，新程序才开始运行。
这时，在创建进程中CreateProcess函数返回；在被创建进程中，主线程在完成最后的初始化后进入程序的入口函数（Entry-point）。创建进程与被创建进程在各自的地址空间独立运行。这时，即使我们结束创建进程，也不会影响被创建进程。
0.2 程序的执行
可执行文件（PE文件）的文件头结构包含入口函数的地址。入口函数一般是Windows在运行时库中提供的，我们在编译时可以根据程序类型设定。在VC中编译、运行程序的小知识点讨论了Entry-point，读者可以参考。
入口函数前的过程可以被看作程序的装载过程。在装载时，系统已经做过全局和静态变量（在编译时可以确定地址）的初始化，有初值的全局变量拥有了它们的初值，没有初值的变量被设为0，我们可以在入口函数处设置断点确认这一点。
进入入口函数后，程序继续运行环境的建立，例如调用所有全局对象的构造函数。在一切就绪后，程序调用我们提供的主函数。主函数名是入口函数决定的，例如main或WinMain。如果我们没有提供入口函数要求的主函数，编译时就会产生链接错误。
0.3 进程和线程
我们通常把存储介质（例如硬盘）上的可执行文件称作程序。程序被装载、运行后就成为进程。系统会为每个进程创建一个主线程，主线程通过入口函数进入我们提供的主函数。我们可以在程序中创建其它线程。
线程可以创建一个或多个窗口，也可以不创建窗口。系统会为有窗口的线程建立消息队列。有消息队列的线程就可以接收消息，例如我们可以用PostThreadMessage函数向线程发送消息。
没有窗口的线程只要调用了PeekMessage或GetMessage，系统也会为它创建消息队列。
1 窗口和消息
1.1 线程的消息队列
每个运行的程序就是一个进程。每个进程有一个或多个线程。有的线程没有窗口，有的线程有一个或多个窗口。
我们可以向线程发送消息，但大多数消息都是发给窗口的。发给窗口的消息同样放在线程的消息队列中。我们可以把线程的消息队列看作信箱，把窗口看作收信人。我们在向指定窗口发送消息时，系统会找到该窗口所属的线程，然后把消息放到该线程的消息队列中。
线程消息队列是系统内部的数据结构，我们在程序中看不到这个结构。但我们可以通过Windows的API向消息队列发送、投递消息；从消息队列接收消息；转换和分派接收到的消息。
1.2 最小的Windows程序
Windows的程序员大概都看过这么一个最小的Windows程序：
// 例程1#include "windows.h"static const char m_szName[] = "窗口";//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 主窗口回调函数 如果直接用 DefWindowProc, 关闭窗口时不会结束消息循环static LRESULT CALLBACK WindowProc(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam){ switch (uMsg) { case WM_DESTROY: PostQuitMessage(0); // 关闭窗口时发送WM_QUIT消息结束消息循环 break; default: return DefWindowProc(hWnd, uMsg, wParam, lParam); } return 0;}//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 主函数 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); // 登记窗口类 HWND hWnd; hWnd = CreateWindow(m_szName,m_szName,WS_OVERLAPPEDWINDOW,100,100,320,240, NULL,NULL,hInstance,NULL); // 创建窗口 ShowWindow(hWnd, nCmdShow); // 显示窗口 MSG sMsg; while (int ret=GetMessage(&sMsg, NULL, 0, 0)) { // 消息循环 if (ret != -1) { TranslateMessage(&sMsg); DispatchMessage(&sMsg); } } return 0;}
这个程序虽然只显示一个窗口，但经常被用来说明Windows程序的基本结构。在MFC框架内部我们同样可以找到类似的程序结构。这个程序包含以下基本概念：
- 窗口类、窗口和窗口过程
- 消息循环
下面分别介绍。
1.3 窗口类、窗口和窗口过程
创建窗口时要提供窗口类的名字。窗口类相当于窗口的模板，我们可以基于同一个窗口类创建多个窗口。我们可以使用Windows预先登记好的窗口类。但在更多的情况下，我们要登记自己的窗口类。在登记窗口类时，我们要登记名称、风格、图标、光标、菜单等项，其中最重要的就是窗口过程的地址。
窗口过程是一个函数。窗口收到的所有消息都会被送到这个函数处理。那么，发到线程消息队列的消息是怎么被送到窗口的呢？
1.4 消息循环
熟悉嵌入式多任务程序的程序员，都知道任务（相当于Windows的线程）的结构基本上都是：
while (1) { 等待信号; 处理信号; }
任务收到信号就处理，否则就挂起，让其它任务运行。这就是消息驱动程序的基本结构。Windows程序通常也是这样：
while (int ret=GetMessage(&sMsg, NULL, 0, 0)) { // 消息循环 if (ret != -1) { TranslateMessage(&sMsg); DispatchMessage(&sMsg); } }
GetMessage从消息队列接收消息；TranslateMessage根据按键产生WM_CHAR消息，放入消息队列；DispatchMessage根据消息中的窗口句柄将消息分发到窗口，即调用窗口过程函数处理消息。
1.5 通过消息通信
创建窗口的函数会返回一个窗口句柄。窗口句柄在系统范围内（不是进程范围）标识一个唯一的窗口实例。通过向窗口发送消息，我们可以实现进程内和进程间的通信。
我们可以用SendMessage或PostMessage向窗口发送或投递消息。SendMessage必须等到目标窗口处理过消息才会返回。我试过：如果向一个没有消息循环的窗口SendMessage，SendMessage函数永远不会返回。PostMessage在把消息放入线程的消息队列后立即返回。
其实只有投递的消息才是通过DispatchMessage分派到窗口过程的。通过SendMessage发送的消息，在线程GetMessage时，就已经被分派到窗口过程了，不经过DispatchMessage。
1.5.1 窗口程序与控制台程序的通信实例
大家是不是觉得“例程1”没什么意思，让我们用它来做个小游戏：让“例程1”和一个控制台程序做一次亲密接触。我们首先将“例程1”的窗口过程修改为：
static LRESULT CALLBACK WindowProc(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam){ static DWORD tid = 0; switch (uMsg) { case WM_DESTROY: PostQuitMessage(0); // 关闭窗口时发送WM_QUIT消息结束消息循环 break; case WM_USER: tid = wParam; // 保存控制台程序的线程ID SetWindowText(hWnd, "收到"); break; case WM_CHAR: if (tid) { switch(wParam) { case ‘1‘: PostThreadMessage(tid, WM_USER+1, 0, 0); // 向控制台程序发送消息1 break; case ‘2‘: PostThreadMessage(tid, WM_USER+2, 0, 0); // 向控制台程序发送消息2 break; }
} break; default: return DefWindowProc(hWnd, uMsg, wParam, lParam); } return 0;}
然后，我们创建一个控制台程序，代码如下：
#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("你现在叫:%s/n/n", buf); // 读取、显示对方的名字 break; case WM_USER+2: sprintf(buf, "我是窗口%d", i++); SendMessage(m_hWnd, WM_SETTEXT, sizeof(buf), (LPARAM)buf); // 修改对方名字 printf("给你改名/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("没有找到窗口/n/n"); } while (int ret=GetMessage(&sMsg, NULL, 0, 0)) { // 消息循环 if (ret != -1) { process_msg(sMsg.message, sMsg.wParam, sMsg.lParam); } } return 0;}
大家能看懂这游戏怎么玩吗？首先运行“例程1”wnd，然后运行控制台程序msg。msg会找到wnd的窗口，并将自己的主线程ID发给wnd。wnd收到msg的消息后，会显示收到。这时，wnd和msg已经建立了通信的渠道：wnd可以向msg的主线程发消息，msg可以向wnd的窗口发消息。
我们如果在wnd窗口按下键‘1‘，wnd会向msg发送消息1，msg收到后会通过WM_GETTEXT消息获得wnd的窗口名称并显示。我们如果在wnd窗口按下键‘2‘，wnd会向msg发送消息2，msg收到后会通过WM_SETTEXT消息修改wnd的窗口名称。
这个小例子演示了控制台程序的消息循环，向线程发消息，以及进程间的消息通信。
1.5.2 地址空间的问题
不同的进程拥有独立的地址空间，如果我们在消息参数中包含一个进程A的地址，然后发送到进程B。进程B如果在自己的地址空间里操作这个地址，就会发生错误。那么，为什么上例中的WM_GETTEXT和WM_SETEXT可以正常工作？
这是因为WM_GETTEXT和WM_SETEXT都是Windows自己定义的消息，Windows知道参数的含义，并作了特殊的处理，即在进程B的空间分配一块内存作为中转，并在进程A和进程B的缓冲区之间复制数据。例如：在1.5.1节的例子中，如果我们设置断点观察，就会发现msg发送的WM_SETTEXT消息中的lParam不等于wnd接收到的WM_SETTEXT消息中的lParam。
如果我们在自己定义的消息中传递内存地址，系统不会做任何特殊处理，所以必然发生错误。
Windows提供了WM_COPYDATA消息用来向窗口传递数据，Windows同样会为这个消息作特殊处理。
在进程间发送这些需要额外分配内存的消息时，我们应该用SendMessage，而不是PostMessage。因为SendMessage会等待接收方处理完后再返回，这样系统才有机会额外释放分配的内存。在这种场合使用PostMessage，系统会忽略要求投递的消息，读者可以在msg程序中试验一下。
2 子类化和超类化
窗口类是窗口的模板，窗口是窗口类的实例。窗口类和每个窗口实例都有自己的内部数据结构。Windows虽然没有公开这些数据结构，但提供了读写这些数据的API。
例如：用GetClassLong和SetClassLong函数可以读写窗口类的数据；用GetWindowLong和SetWindowLong可以读写指定窗口实例的数据。使用这些接口，可以在运行时读取或修改窗口类或窗口实例的窗口过程地址。这些接口是子类化的实现基础。
2.1 子类化
子类化的目的是在不修改现有代码的前提下，扩展现有窗口的功能。它的思路很简单，就是将窗口过程地址修改为一个新函数地址，新的窗口过程函数处理自己感兴趣的消息，将其它消息传递给原窗口过程。通过子类化，我们不需要现有窗口的源代码，就可以定制窗口功能。
子类化可以分为实例子类化和全局子类化。实例子类化就是修改窗口实例的窗口过程地址，全局子类化就是修改窗口类的窗口过程地址。实例子类化只影响被修改的窗口。全局子类化会影响在修改之后，按照该窗口类创建的所有窗口。显然，全局子类化不会影响修改前已经创建的窗口。
子类化方法虽然是二十年前的概念，却很好地实践了面向对象技术的开闭原则（OCP：The Open-Closed Principle）：对扩展开放，对修改关闭。
2.2 超类化
超类化的概念更简单，就是读取现有窗口类的数据，保存窗口过程函数地址。对窗口类数据作必要的修改，设置新窗口过程，再换一个名称后登记一个新窗口类。新窗口类的窗口过程函数还是仅处理自己感兴趣的消息，而将其它消息传递给原窗口过程函数处理。使用GetClassInfo函数可以读取现有窗口类的数据。
3 MFC中的消息循环和子类化
MFC将子类化方法应用得淋漓尽致，是一个不错的例子。候捷先生的《深入浅出MFC》已经将MFC的主要框架分析得很透彻了，本节只是看看MFC的消息循环，简单分析MFC对子类化的应用。
3.1 消息循环
随便建立一个MFC单文档程序，在视图类中添加WM_RBUTTONDOWN的处理函数，并在该处理函数中设置断点。运行，断下后，查看调用堆栈：
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是这个程序的入口函数。候捷先生已经详细介绍过AfxWinMain。我们就看看CWinThread::PumpMessage中的消息循环：
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;}
这就是MFC程序主线程中的消息循环，它把发送到线程消息队列的消息分派到线程的窗口。
3.2 子类化
CWnd::CreateEx在创建窗口前调用SetWindowsHookEx函数安装了一个钩子函数_AfxCbtFilterHook。窗口刚创建好，钩子函数_AfxCbtFilterHook就被调用。_AfxCbtFilterHook调用SetWindowLong将窗口过程替换为AfxWndProcBase，并将SetWindowLong返回的原窗口地址保存到成员变量oldWndProc。上节调用堆栈中的AfxWndProcBase就是由此而来。
可见，通过CWnd::CreateEx创建的所有窗口都会被子类化，即它们的窗口过程都会被替换为AfxWndProcBase。MFC为什么要这样做？
让我们再看看调用堆栈中的CWnd::WindowProc函数：
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;}
按照侯捷先生的介绍，CWnd::OnWndMsg就是“MFC消息泵”的入口，消息通过这个入口流入MFC消息映射中的消息处理函数。消息泵只会处理我们定制过的消息，我们没有添加过处理的消息会原封不动地流过"消息泵"，进入DefWindowProc函数。在DefWindowProc函数中，消息会传给子类化时保存的原窗口地址oldWndProc。
CWnd::CreateEx里的钩子会子类化所有窗口吗？其实不尽然。的确，MFC所有窗口相关的类都是从CWnd派生的，这些类的实例在创建窗口时都会调用CWnd::CreateEx，都会被子类化。但是，通过对话框模板创建的窗口是通过CreateDlgIndirect创建的，不经过CWnd::CreateEx函数。
但这点其实也不是问题，因为如果我们想通过MFC定制一个控件的消息映射，就必须先子类化这个控件，MFC还是有机会将窗口过程替换成自己的AfxWndProcBase。下一节将介绍对话框控件的子类化。
4 子类化和超类化的例子
我写了一个很简单的对话框程序，用来演示子类化和超类化。这个对话框程序有两个编辑框，我将编辑框的右键菜单换成了一个消息框。两个编辑框的定制分别采用了子类化和超类化技术：
4.1 子类化的例子
首先从CEdit派生出CMyEdit1，定制WM_RBUTTONDOWN的处理。很多文章都建议我们在对话框的OnInitDialog中用SubclassDlgItem实现子类化：
m_edit1.SubclassDlgItem(IDC_EDIT1, this);
这样做当然可以。其实如果我们已经为IDC_EDIT1添加过CMyEdit1对象：
void CSubclassingDlg::DoDataExchange(CDataExchange* pDX){ CDialog::DoDataExchange(pDX); //{{AFX_DATA_MAP(CSubclassingDlg) DDX_Control(pDX, IDC_EDIT1, m_edit1); //}}AFX_DATA_MAP}
DDX_Control会自动帮我们完成子类化，没有必要手工调用SubclassDlgItem。大家可以通过在PreSubclassWindow中设置断点看看。
通过DDX_Control或者SubclassDlgItem子类化控件的效果是一样的，MFC都是把窗口过程替换成AfxWndProcBase。用户添加过处理函数的消息通过MFC消息泵流入用户的处理函数。
4.2 必经之路：PreSubclassWindow
PreSubclassWindow是一个很好的定制控件的位置。如果我们通过重载CWnd::PreCreateWindow定制控件，而用户在对话框中使用控件。由于对话框中的控件窗口是通过CreateDlgIndirect创建，不经过CWnd::CreateEx函数，PreCreateWindow函数不会被调用。
其实，用户要在对话框中使用定制控件，必须用DDX或者SubclassDlgItem函数子类化控件，这时PreSubclassWindow一定会被调用。
如果用户直接创建定制控件窗口，CWnd::CreateEx函数就一定会被调用，控件窗口一定会被子类化以安装MFC消息泵。所以在MFC中，PreSubclassWindow是创建窗口的必经之路。
4.3 超类化的例子
我很少看到超类化的例子（除了罗云彬的Win32汇编），在大多数应用中，子类化技术已经足够了。但我还是写了一个例子：CMyEdit2从CEdit派生。CMyEdit2::RegisterMe获取窗口类Edit的信息，保存原窗口过程，设置新窗口过程MyWndProc和新名称MyEdit，登记一个新窗口类。新窗口过程MyWndProc定制自己需要处理的消息，将其它消息送回原窗口过程。
我在对话框的OnInitDialog中先调用CMyEdit2::RegisterMe登记新窗口类，然后创建窗口。这样创建窗口必须经过CWnd::CreateEx，所以MFC还是会把窗口过程换成AfxWndProcBase。没有被MFC消息映射拦截的消息才会流入MyWndProc。
5 结束语
这篇文章介绍了一些Windows和MFC的基础知识。写这篇文章的目的不是介绍什么编程技巧，而是让我们更了解程序运行时发生的事情。惟有深入其中，方能跳出其外，不受羁绊。