编程思想之消息机制

消息机制

从一个剧情开始

路遥的《平凡的世界》因为翻拍成电视剧，又再次火起来了！我们就从这里开始吧，其小说是以这样一个场景开头的：
在一个半山腰县立高中的大院坝里，在一个校园内的南墙根下，按班级排起了十几个纵队的年轻男女，各班的值日生正忙碌地给众人分发饭菜…… 菜分为甲、乙、丙三等，甲菜以土豆、白菜、粉条为主，还有可人大肉片，乙菜没有肉，丙菜只有清水煮白萝卜。主食也分为三等：白面馍，玉米面馍，高粱面馍，白、黄、黑分别代表了三种差别，学生们戏称欧洲、亚洲、非洲。每个人的饭菜都是昨天登记好并付了饭票的，在这一长长的队伍中自然以光景较好的富家子弟排在最前，光景一般的随后，而那些家庭贫困少吃缺穿的学生只能在其他学生走后才姗姗来迟……

这一活生生的例子虽然看着有些悲凉(排队打饭的情景相信曾经是学生的你一定经历过，可能没这般悲凉而已)，却像极了消息机制的原理，也许发明消息机制的灵感就是原来于这样的生活吧！排队的学生就是消息队列，值日生分发饭菜就消息循环并完成消息处理，学生吃饭就类似于事件处理。

什么是消息？

何为消息？消息就是带有某种信息的信号，如你用鼠标点击一个窗口会产生鼠标的消息，键盘输入字符会产生键盘的消息，一个窗口大小的改变也会产生消息。
消息从何而来?根据冯·诺依曼的体系结构计算机有运算器、存储器、控制器和输入设备和输出设备五大部件组成，消息主要来自输入设备，如键盘、鼠标、扫描仪等，也可来自已窗口和操作系统。
消息机制的三大要点：消息队列、消息循环(分发)、消息处理。其结构如下：

消息队列就是存放消息的一种队列，具有先进先出的特点。每产生一个消息都会添加进消息队列中，在Window中消息队列是在操作系统中定义的。消息队列就如同一群排队打饭的少男少女，这群人中光景较好的排在前面，光景较差的排在后面，可以理解成是一种优先级队列！要想更多的了解队列的相关知识，可参见队列。
消息循环就是通过循环(如while)不断地从消息队列中取得队首的消息，并将消息分发出去。类似于上面的例子中分发饭菜值日生。
消息处理就是在接收到消息之后根据不同的消息类型做出不同的处理。上面例子中值日生根据学生不同类型的饭票给他们不同等级的饭菜就是消息处理，学生手中的饭票就是消息所携带的信息。
事件是根据接收到的消息的具体信息做出的特定的处理，放在代码中是事件响应函数。上面的例子中学生拿到饭菜后吃饭就是具体的事件。

C++中的消息机制：

从简单例子探析核心原理

在讲之前，我们先看一个简单例子：创建一个窗口和两个按钮，用来控制窗口的背景颜色。其效果如下：

图 2 ：效果图

Win32Test.h

#pragma once

#include <windows.h>
#include <atltypes.h>
#include <tchar.h>

//资源ID
#define ID_BUTTON_DRAW      1000
#define ID_BUTTON_SWEEP     1001

// 注册窗口类
ATOM AppRegisterClass(HINSTANCE hInstance);
// 初始化窗口
BOOL InitInstance(HINSTANCE, int);
// 消息处理函数(又叫窗口过程)
LRESULT CALLBACK    WndProc(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM);
// (白色背景)按钮事件
void OnButtonWhite();
// (灰色背景)按钮事件
void OnButtonGray();
// 绘制事件
void OnDraw(HDC hdc);

Win32Test.cpp

#include "stdafx.h"
#include "Win32Test.h"


//字符数组长度
#define MAX_LOADSTRING 100

//全局变量
HINSTANCE hInst;                                            // 当前实例
TCHAR g_szTitle[MAX_LOADSTRING] = TEXT("Message process");  // 窗口标题
TCHAR g_szWindowClass[MAX_LOADSTRING] = TEXT("AppTest");    // 窗口类的名称
HWND g_hWnd;                                                // 窗口句柄
bool g_bWhite = false;                                      // 是否为白色背景

//WinMain入口函数
int APIENTRY _tWinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPTSTR lpCmdLine, int nCmdShow)
{
    UNREFERENCED_PARAMETER(hPrevInstance);
    UNREFERENCED_PARAMETER(lpCmdLine);
    // 注册窗口类
    if(!AppRegisterClass(hInstance))
    {
         return (FALSE);
    }
    // 初始化应用程序窗口
    if (!InitInstance (hInstance, nCmdShow))
    {
        return FALSE;
    }

    // 消息循环
    MSG msg;
    while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0))
    {
        TranslateMessage(&msg);
        DispatchMessage(&msg);
    }
    return (int) msg.wParam;
}



// 注册窗口类
ATOM AppRegisterClass(HINSTANCE hInstance)
{
    WNDCLASSEX wcex;
    wcex.cbSize = sizeof(WNDCLASSEX);
    wcex.style          = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;
    wcex.lpfnWndProc    = WndProc;
    wcex.cbClsExtra     = 0;
    wcex.cbWndExtra     = 0;
    wcex.hInstance      = hInstance;
    wcex.hIcon          = LoadIcon(NULL, IDI_APPLICATION);
    wcex.hCursor        = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
    wcex.hbrBackground  = (HBRUSH)(COLOR_WINDOW+1);
    wcex.lpszMenuName   = NULL;
    wcex.lpszClassName  = g_szWindowClass;
    wcex.hIconSm        = NULL;

    return RegisterClassEx(&wcex);
}



// 保存实例化句柄并创建主窗口
BOOL InitInstance(HINSTANCE hInstance, int nCmdShow)
{  
   hInst = hInstance; // 保存handle到全局变量
   g_hWnd = CreateWindow(g_szWindowClass, g_szTitle, WS_OVERLAPPEDWINDOW, 0, 0, 400, 300, NULL, NULL, hInstance, NULL);
   // 创建按钮
   HWND hBtWhite = CreateWindowEx(0, L"Button", L"白色", WS_CHILD | WS_VISIBLE | BS_TEXT, 100, 100, 50, 20, g_hWnd, (HMENU)ID_BUTTON_DRAW, hInst, NULL);
   HWND hBtGray = CreateWindowEx(0, L"Button", L"灰色", WS_CHILD | WS_VISIBLE | BS_CENTER, 250, 100, 50, 20, g_hWnd, (HMENU)ID_BUTTON_SWEEP, hInst, NULL);

   if (!g_hWnd)
   {
      return FALSE;
   }
   ShowWindow(g_hWnd, nCmdShow);
   UpdateWindow(g_hWnd);

   return TRUE;
}



// (窗口)消息处理
LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
    int wmId, wmEvent;
    PAINTSTRUCT ps;
    HDC hdc;

    switch (message)
    {
    case WM_COMMAND:
        wmId    = LOWORD(wParam);
        //wmEvent = HIWORD(wParam);

        switch (wmId)
        {
        case ID_BUTTON_DRAW:
            OnButtonWhite();
            break;
        case ID_BUTTON_SWEEP:
            OnButtonGray();
            break;
        default:
            return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
        }
        break;
    case WM_PAINT:
        hdc = BeginPaint(hWnd, &ps);
        OnDraw(hdc);
        EndPaint(hWnd, &ps);
        break;
    case WM_DESTROY:
        PostQuitMessage(0);
        break;
    default:
        return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
    }
    return 0;
}



//事件处理

//按下hBtWhite时的事件
void OnButtonWhite()
{
    g_bWhite = true;
    InvalidateRect(g_hWnd, NULL, FALSE);    //刷新窗口
}

//按下hBtGray时的事件
void OnButtonGray()
{
    g_bWhite = false;
    InvalidateRect(g_hWnd, NULL, FALSE);    //刷新窗口
}

//绘制事件(每次刷新时重新绘制图像)
void OnDraw(HDC hdc)
{   
    POINT oldPoint;
    SetViewportOrgEx(hdc, 0, 0, &oldPoint);
    RECT rcView;
    GetWindowRect(g_hWnd, &rcView); // 获得句柄的画布大小
    HBRUSH hbrWhite = (HBRUSH)GetStockObject(WHITE_BRUSH);
    HBRUSH hbrGray = (HBRUSH)GetStockObject(GRAY_BRUSH);
    if (g_bWhite)
    {
        FillRect(hdc, &rcView, hbrWhite);
    } else
    {
        FillRect(hdc, &rcView, hbrGray);
    }
    SetViewportOrgEx(hdc, oldPoint.x, oldPoint.y, NULL);
}

在上面这个例子中，消息的流经过程如下：

图 3 ：消息的流经过程

while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0))
{
    TranslateMessage(&msg);
    DispatchMessage(&msg);
}

这个while循环就是消息循环，不断地从消息队列中获取消息，并通过DispatchMessage(&msg)将消息分发出去。消息队列是在Windows操作系统中定义的(我们无法看到对应定义的代码)，对于每一个正在执行的Windows应用程序,系统为其建立一个“消息队列”，即应用程序队列，用来存放该程序可能创建的各种窗口的消息。DispatchMessage会将消息传给窗口函数(即消息处理函数)去处理，也就是WndProc函数。WndProc是一个回调函数，在注册窗口时通过wcex.lpfnWndProc将其传给了操作系统，所以DispatchMessage分发消息后，操作系统会调用窗口函数(WndProc)去处理消息。关于回调函数可参考：回调函数。
每一个窗口都应该有一个函数负责消息处理，程序员必须负责设计这个所谓的窗口函数WndProc。LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam) 中的四个参数就是消息的相关信息(消息来自的句柄、消息类型等)，函数中通过switch/case根据不同的消息类型分别进行不同的处理。在收到相应类型的消息之后，可调用相应的函数去处理，如OnButtonWhite、OnButtonGray、OnDraw，这就是事件处理的雏形。 在default中调用了DefWindowProc，DefWindowProc是操作系统定义的默认消息处理函数，这是因为所有的消息都必须被处理，应用程序不处理的消息需要交给操作系统处理。

消息的定义和类型

Windows消息都以WM_为前缀，意思是”Windows Message”，如WM_CREATE、WM_PAINT等。消息的定义如下：

typedef struct tagMsg
{   
    HWND    hwnd;           //接受该消息的窗口句柄
    UINT    message;        //消息常量标识符，也就是我们通常所说的消息号
    WPARAM  wParam;         //32位消息的特定附加信息，确切含义依赖于消息值
    LPARAM  lParam;         //32位消息的特定附加信息，确切含义依赖于消息值
    DWORD   time;           //消息创建时的时间
    POINT   pt;             //消息创建时的鼠标/光标在屏幕坐标系中的位置
}MSG;

消息主要有三种类型：
1. 命令消息(WM_COMMAND)：命令消息是程序员需要程序做某些操作的命令。凡UI对象产生的消息都是这种命令消息，可能来自菜单、加速键或工具栏按钮等，都以WM_COMMAND呈现。
2. 标准窗口消息：除WM_COMMAND之处，任何以WM_开头的消息都是这一类。标准窗口消息是系统中最为常见的消息，它是指由操作系统和控制其他窗口的窗口所使用的消息。例如CreateWindow、DestroyWindow和MoveWindow等都会激发窗口消息，以及鼠标移动、点击，键盘输入都是属于这种消息。
3. Notification:这种消息由控件产生，为的是向其父窗口(通常是对话框窗口)通知某种情况。当一个窗口内的子控件发生了一些事情，而这些是需要通知父窗口的，此刻它就上场啦。通知消息只适用于标准的窗口控件如按钮、列表框、组合框、编辑框，以及Windows公共控件如树状视图、列表视图等。

队列消息和非队列消息

Windows中有一个系统消息队列，对于每一个正在执行的Windows应用程序,系统为其建立一个“消息队列”，即应用程序队列，用来存放该程序可能创建的各种窗口的消息。
(1)队列消息(Queued Messages)
消息会先保存在消息队列中，通过消息循环从消息队列中获取消息并分发到各窗口函数去处理，如鼠标、键盘消息就属于这类消息。
(2)非队列消息(NonQueued Messages)
就是消息会直接发送到窗口函数处理，而不经过消息队列。 如： WM_ACTIVATE, WM_SETFOCUS, WM_SETCURSOR， WM_WINDOWPOSCHANGED就属于此类。

PostMessage与SendMessage的区别

PostMessage发送的消息是队列消息，它会把消息Post到消息队列中； SendMessage发送的消息是非队列消息， 被直接送到窗口过程处理，等消息被处理后才返回。

图 4 ：消息队列示意图

为证明这一过程，我们可以改动一下上面的这个例子。
1.在Win32Test.h中添加ID_BUTTON_TEST的定义

#define ID_BUTTON_TEST      1002

2.在OnButtonWhite中分别用SendMessage和PostMessage发送消息
//按下hBtWhite时的事件

void OnButtonWhite()
{
    g_bWhite = true;
    InvalidateRect(g_hWnd, NULL, FALSE);    //刷新窗口
    SendMessage(g_hWnd, WM_COMMAND, ID_BUTTON_TEST, 0);
    //PostMessage(g_hWnd, WM_COMMAND, ID_BUTTON_TEST, 0);
}

3.在消息循环中增加ID_BUTTON_TEST的判断

while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0))
    {
        if (LOWORD(msg.wParam) == ID_BUTTON_TEST)
        {
            OutputDebugString(L"This is a ID_BUTTON_TEST message.");    // [BreakPoint1]
        }
        TranslateMessage(&msg);
        DispatchMessage(&msg);
    }

4.在窗口处理函数WndProc增加ID_BUTTON_TEST的判断

case ID_BUTTON_TEST:
    {
        OutputDebugString(L"This is a ID_BUTTON_TEST message.");        // [BreakPoint2]
    }
    break;
case ID_BUTTON_DRAW:
    OnButtonWhite();
    break;
case ID_BUTTON_SWEEP:
    OnButtonGray();
    break;

用断点调试的方式我们发现，用SendMessage发送的ID_BUTTON_TEST消息只会进入BreakPoint2，而PostMessage发送的ID_BUTTON_TEST会进入到BreakPoint1和BreakPoint2。