《编程高手箴言》读后 #3
hongxu 2008-05-03
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毕业也有几年了，也看了和学了不少东西。有时也想写点什么，但总是觉得头绪很多，一直没有
动笔。最近翻了翻梁先生的《编程高手箴言》，突然想写点什么，权且用读书笔记的形式写点东西。
等号上面的摘字《箴言》，下面则是笔者自己的感想。希望大家指教，但是谩骂就不必了，谢谢。
注：这一部分涉及《箴言》第三章。
所有的消息队列看上去是放在USER32的模块内，但是每个应用程序自己有一个USER32，因为
每个应用程序的内存都是从4000000B开始的，这样，每个GetMessage和PeekMessage都在
处理事件。实际上，每个GetMessage都会成为一个WaitsingleMessage，当有事件来后，就
直接进行处理，也不用做什么调度。
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是不是每个程序都有一个USER32，我觉得有可能不是这样，因为我用win32Dasm反汇编了一个
Win32 Console程序，并没有发现从USER32.dll里引入任何函数调用。当然，是不是在运行期
系统把USER32.dll映射进了程序的地址空间，我不是很有把握。至于《箴言》的说法是每个
程序的内存都是从400000B开始所以就都有USER32，我也想不出是什么因果关系。
事实上，GetMessage或者PeekMessage并不是在处理消息，而是负责将消息从当前线程的消息
队列里取出消息，调用TranslateMessage处理后，再调用DispatchMessage将消息发送到相应
的窗口处理程序。
之所以不需要应用程序做消息的调度不是因为消息不需要调度，而是系统在内部做了诸如同步、
调度等操作。举个例子，当你调用SendMessage的时候，如果当前线程就是创建窗口的线程，
那么SendMessage就会直接调用窗口函数来处理消息，如果不属于同一个线程，那么系统就会
挂起当前线程，知道目标线程处理完被发送的消息后，当前线程的SendMessage调用才会返回。
由此看出，系统在幕后为了支撑消息系统做了很多努力，从而简化了应用程序的编写。
并且，窗口处理函数是可重入的，在文章的最后部分，我会举个典型的Win32程序
来说明这些问题。
应为自己完成自己的消息处理，每个程序都是独立的，所以要用底层内核来实现页面的切换。
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呵呵，我怎么都看不出这其中有什么因果关系。程序的独立性是必然的，这也是现代操作系统
的基本特点之一。至于这种独立性是不是要通过CPU分页机制来实现，这也未必。只启用CPU
的分段功能，应该也可以实现进程的独立性了。
页面切换是不是要在内核实现呢，这也是不需要解释的事情，页面切换涉及的指令大多是一些
特权指令，如果在应用程序里可以执行这些指令的话，那么操作系统和应用程序相比就没有
特权了，应用程序想要整垮操作系统就轻而易举了，就像昔日的DOS那样。
当某一程序切入时，其他程序就会被切出。当切换出去时，整个消息队列也就切换出去了。
所以，整个消息的处理就很简单了。
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这一段实在是不清楚，不知道所谓的“切入”、“切出”是什么意思。也看不出所描述的因果关系
指什么。应用程序消息处理的简单化主要是应为USER32.dll在幕后做了很多的事情，具体的
说明大家可以在《Programming Applications for Microsoft Windows》一书里找到答案。
在这本书里，大家可以看到系统在幕后的一些工作。
注：老实说，Microsoft实在是麻烦，什么东西都是遮遮掩掩的。给段代码不就什么都OK了吗？
或者实在不行，出份详细的文档也可以啊。可偏偏MSDN里很多文档也是含含糊糊的。稍微想知道
的多一点就要用调试器自己摸了，就一个字，“累”啊。呵呵，当然了，现在有很多大牛都在网上
公布了自己的研究结果了，造福后来人啊:-)
记得当初第一次碰Linux的时候，感觉实在是好。几乎什么都有源代码，感觉在上面开发东西郁闷
的时间远远少于在Windows上做开发。
我想，什么时候不用再出诸如《Undocumented DOS Secretes》、《UnDocumented WinNT Secretes》
之类的书的话，广大同行们幸福的日子就来到了:-)
记得在WinXP DDK发布之前，国内外网站上关于如何有Intermedia Driver写一个虚拟网卡的问题
讨论的很多，并且好像一直都没有一个圆满的方案。等到XP DDK出来后，里面带了一个例子，一下子
就解决了所有问题。难道网上的这么多程序员都不如Microsoft聪明？！还好MFC是给源代码的，我想
如果当初没给源代码，那广大的Visual C++的程序员还不知道要被Microsoft怎么折磨呢！
从MSG的结构可以看出，每个消息都是对应一个窗口的。USER模块是管理窗口的，一般每个
窗口自己有一个消息队列。...... 当程序设计中用SendMessage来发送消息时，就会明确
指定窗口句柄，当运行此函数后，就会把消息放到此窗口的消息队列中。
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从MSG的结构来看，似乎应该每个消息都应该对应一个窗口。然而，MSG的结构中和窗口有关
的HWND hwnd可以为0啊。再说另一个和消息有关的函数PostThreadMessage并没有要求一个
窗口句柄，而是一个线程句柄。实际上，消息队列应该是属于线程的，而不是窗口的。
SendMessage一个很重要的特性是它不是简单的将消息送到消息队列里去，按照MSDN的说法，
If the specified window was created by the calling thread, the window procedure
is called immediately as a subroutine.If the specified window was created by a
different thread, the system switches to that thread and calls the appropriate
window procedure.
根据SendMessage的这个特性，有可能调用SendMessage的线程永远进入挂起状态了。具体的例子
大家参考《Programming Applications for Microsoft Windows》，这本书里面还介绍另外
几个函数，比如SendMessageTimeout，InSendMessage之类的，大家也可以直接参考MSDN。
下面贴出的代码是用VC的向导生成的，《箴言》在消息循环一节中只给出了窗口处理函数的
代码，可能是为了节约纸张，给大家省钱，网上嘛，我就多贴一点了，呵呵。
1 #include "stdafx.h"
2 #include "resource.h"
3 #include <stdio.h>
4
5 #define MAX_LOADSTRING 100
6
7 // Global Variables:
8 HINSTANCE hInst; // current instance
9 TCHAR szTitle[MAX_LOADSTRING]; // The title bar text
10 TCHAR szWindowClass[MAX_LOADSTRING]; // The title bar text
11
12 // Foward declarations of functions included in this code module:
13 ATOM MyRegisterClass(HINSTANCE hInstance);
14 BOOL InitInstance(HINSTANCE, int);
15 LRESULT CALLBACK WndProc(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM);
16 LRESULT CALLBACK About(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM);
17
18 int APIENTRY WinMain(HINSTANCE hInstance,
19 HINSTANCE hPrevInstance,
20 LPSTR lpCmdLine,
21 int nCmdShow)
22 {
23 // TODO: Place code here.
24 MSG msg;
25 HACCEL hAccelTable;
26 char str[256];
27 static i = 0;
28
29 // Initialize global strings
30 LoadString(hInstance, IDS_APP_TITLE, szTitle, MAX_LOADSTRING);
31 LoadString(hInstance, IDC_TEST, szWindowClass, MAX_LOADSTRING);
32 MyRegisterClass(hInstance);
33
34 // Perform application initialization:
35 if (!InitInstance (hInstance, nCmdShow))
36 {
37 return FALSE;
38 }
39
40 hAccelTable = LoadAccelerators(hInstance, (LPCTSTR)IDC_TESTA);
41
42 // Main message loop:
43 while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0))
44 {
45 if (!TranslateAccelerator(msg.hwnd, hAccelTable, &msg))
46 {
47 TranslateMessage(&msg);
48 DispatchMessage(&msg);
49 }
50 }
51
52 return msg.wParam;
53 }
54
55
56
57 //
58 // FUNCTION: MyRegisterClass()
59 //
60 // PURPOSE: Registers the window class.
61 //
62 // COMMENTS:
63 //
64 // This function and its usage is only necessary if you want this code
65 // to be compatible with Win32 systems prior to the 'RegisterClassEx'
66 // function that was added to Windows 95. It is important to call this function
67 // so that the application will get 'well formed' small icons associated
68 // with it.
69 //
70 ATOM MyRegisterClass(HINSTANCE hInstance)
71 {
72 WNDCLASSEX wcex;
73
74 wcex.cbSize = sizeof(WNDCLASSEX);
75
76 wcex.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;
77 wcex.lpfnWndProc = (WNDPROC)WndProc;
78 wcex.cbClsExtra = 0;
79 wcex.cbWndExtra = 0;
80 wcex.hInstance = hInstance;
81 wcex.hIcon = LoadIcon(hInstance, (LPCTSTR)IDI_TEST);
82 wcex.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
83 wcex.hbrBackground = (HBRUSH)(COLOR_WINDOW+1);
84 wcex.lpszMenuName = (LPCSTR)IDC_TEST;
85 wcex.lpszClassName = szWindowClass;
86 wcex.hIconSm = LoadIcon(wcex.hInstance, (LPCTSTR)IDI_SMALL);
87
88 return RegisterClassEx(&wcex);
89 }
90
91 //
92 // FUNCTION: InitInstance(HANDLE, int)
93 //
94 // PURPOSE: Saves instance handle and creates main window
95 //
96 // COMMENTS:
97 //
98 // In this function, we save the instance handle in a global variable and
99 // create and display the main program window.
100 //
101 BOOL InitInstance(HINSTANCE hInstance, int nCmdShow)
102 {
103 HWND hWnd;
104
105 hInst = hInstance; // Store instance handle in our global variable
106
107 hWnd = CreateWindow(szWindowClass, szTitle, WS_OVERLAPPEDWINDOW,
108 CW_USEDEFAULT, 0, CW_USEDEFAULT, 0, NULL, NULL, hInstance, NULL);
109
110 if (!hWnd)
111 {
112 return FALSE;
113 }
114
115 ShowWindow(hWnd, nCmdShow);
116 UpdateWindow(hWnd);
117
118 return TRUE;
119 }
120
121 //
122 // FUNCTION: WndProc(HWND, unsigned, WORD, LONG)
123 //
124 // PURPOSE: Processes messages for the main window.
125 //
126 // WM_COMMAND - process the application menu
127 // WM_PAINT - Paint the main window
128 // WM_DESTROY - post a quit message and return
129 //
130 //
131 LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
132 {
133 int wmId, wmEvent;
134 PAINTSTRUCT ps;
135 HDC hdc;
136 TCHAR szHello[MAX_LOADSTRING];
137 LoadString(hInst, IDS_HELLO, szHello, MAX_LOADSTRING);
138
139 static int i = 0;
140 char str[256];
141
142 switch (message)
143 {
144 case WM_COMMAND:
145 wmId = LOWORD(wParam);
146 wmEvent = HIWORD(wParam);
147 // Parse the menu selections:
148 switch (wmId)
149 {
150 case IDM_ABOUT:
151 DialogBox(hInst, (LPCTSTR)IDD_ABOUTBOX, hWnd, (DLGPROC)About);
152 break;
153 case IDM_EXIT:
154 DestroyWindow(hWnd);
155 break;
156 default:
157 return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
158 }
159 break;
160 case WM_PAINT:
161 hdc = BeginPaint(hWnd, &ps);
162 // TODO: Add any drawing code here...
163 RECT rt;
164 GetClientRect(hWnd, &rt);
165 DrawText(hdc, szHello, strlen(szHello), &rt, DT_CENTER);
166 EndPaint(hWnd, &ps);
167 break;
168 case WM_DESTROY:
169 PostQuitMessage(0);
170 break;
171 default:
172 return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
173 }
174 return 0;
175 }
176
177 // Mesage handler for about box.
178 LRESULT CALLBACK About(HWND hDlg, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
179 {
180 switch (message)
181 {
182 case WM_INITDIALOG:
183 return TRUE;
184
185 case WM_COMMAND:
186 if (LOWORD(wParam) == IDOK || LOWORD(wParam) == IDCANCEL)
187 {
188 EndDialog(hDlg, LOWORD(wParam));
189 return TRUE;
190 }
191 break;
192 }
193 return FALSE;
194 }
一个普通Win32 GUI程序，你只要不去关它，它就总是存在。显然，这里需要一个类似循环的
东西存在，来保证我们的程序总是在运行。看看代码第43行开始的几行：
43 while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0))
44 {
45 if (!TranslateAccelerator(msg.hwnd, hAccelTable, &msg))
46 {
47 TranslateMessage(&msg);
48 DispatchMessage(&msg);
49 }
50 }
呵呵，我们找到这个循环了，就是这短短的8行代码，保持了我们的程序在系统里存在，一旦
这个循环被打破了，那么我们的程序就推出了。至于怎么才能打破这个循环，去看看
GetMessage的说明就一清二楚了。(注：在普通的Win32程序里，大致可以认为WinMain就是程序的
入口点)
这8行的含义就是不断的从系统里取消息，拿到后再调用系统的服务处理后发给相应的窗口过程。
这个过程循环进行，直到推出程序。这就是所谓“消息循环”名字的由来。
那么窗口过程在哪里呢？好，我们看看我们创建的窗口的属性吧，从76行开始：
76 wcex.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;
77 wcex.lpfnWndProc = (WNDPROC)WndProc;
78 wcex.cbClsExtra = 0;
79 wcex.cbWndExtra = 0;
80 wcex.hInstance = hInstance;
81 wcex.hIcon = LoadIcon(hInstance, (LPCTSTR)IDI_TEST);
82 wcex.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
83 wcex.hbrBackground = (HBRUSH)(COLOR_WINDOW+1);
84 wcex.lpszMenuName = (LPCSTR)IDC_TEST;
85 wcex.lpszClassName = szWindowClass;
86 wcex.hIconSm = LoadIcon(wcex.hInstance, (LPCTSTR)IDI_SMALL);
其他我们暂时先不关心，看看第77行，lpfnWndProc是什么？根据匈牙利命名法，这是个函数指针！
而(WNDPROC)WndProc就是我们定义的一个函数(第131行)。于是明白了，我们定义的一个函数被
保存在窗口结构里传给系统了。再扫描一下前面列的程序，发现(WNDPROC)WndProc并没有被调用！
这是怎么回事？原来系统是这样告诉我们的：有个函数你(应用程序)给我定义并实现一下，告诉我，
然后你就别管了，我(系统)会根据情况来调用。所以，本质上讲，窗口函数只是系统定义的一个
回调函数而已。大家要习惯这种回调函数，在Windows的很多地方都会定义类似的回调函数让你实现
的。
以前在用Win32 API直接编程的时候，通常会在(WNDPROC)WndProc看到一个巨大switch/case结构，
在这个巨大的结构里完成所感兴趣的消息的处理。那么到底有那些消息呢？查MSDN固然可以，但
我是用Visual C++带的工具，Spy++来看的。当你在Spy++里用Ctrl+M打开Message Log窗口后，
就可以在第二个tab页里看到几乎所有公开的消息了，并且是分了类的。推荐大家去浏览一下，
不求记住，但最好有个大致的印象，尤其是用Visual C++编程的同志。
前面我们说到窗口过程是可以重入的，怎么证明？就用上面列的程序来说明。首先对上面的程序
说明一下。上面的程序使用VC的向导生成的一个标准的“Win32 Application”，运行的结果是在
一个窗口里打印楚“Hello World”。在菜单里选择Help/About...，会弹出一个“关于窗口”。
看看第151行，这里会弹出“关于窗口”，并且 DialogBox这个函数在弹出窗口没关闭前是不会返
回的。我们在菜单里选择“关于”后，就可以弹出这个对话框，现在拖着这个对话框在我们的主程
序窗口里移动，我们就会发现这个窗口从被盖住的Hello World上移开后Hello World会重新出现。
这说明了什么问题？在回答这个问题前有几点说明：1)在我们的程序里，只有在响应WM_PAINT的
时候会绘制"Hello World"字符串。2)系统不会替我们保存窗口客户区的内容，系统客户区的内容
全部要我们自己绘制，也就是说当覆盖"Hello World"的窗口移走后新出现的"Hello World"还是
我们自己画的，而这段绘制代码只有在WM_PAINT的相应函数里才有。OK，综合上面两点，在
“关于窗口”活动期间，显然我们程序是在第151行，而重绘窗口的代码是在165行，这只有一个
解释：(WNDPROC)WndProc在返回前(也就是DialogBox返回前)，(WNDPROC)WndProc又被系统调用了
用来处理WM_PAINT。也就是说DispatchMessage会导致(WNDPROC)WndProc的调用，系统在必要的时候
也会调用(WNDPROC)WndProc，并且这两者的调用是异步进行的。所以有时候程序出现异常情况说不定
就和这个有关。呵呵，不过这个情况我还没有遇到过。
对了，大家可以看看hInstance的值，是0x400000，和前面说得程序起始地址一样，呵呵，难道是巧合
吗，大家可以研究一下。
另外补上一句，函数About是“关于窗口”的窗口函数，它是在DialogBox函数里传递给系统的。
GDI和DirectDraw的关系
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本来以为《箴言》会指出两者在底层的实现上的关系，谁知道看完后才知道等于什么都没有看到。《箴言》只是
简单的介绍了(其实都谈不上是介绍)DirectDraw，然后给出了一个24位图到16位图的转换程序。
其实，GDI显然在DirectDraw之前出现的，而DirectDraw是Microsoft为了便于游戏，多媒体等需要快速访问显示
设备而定义的一个软/硬件的规范。好像在最新的DirectX SDK里，DirectDraw已经被合到DirectShow中去了。
《箴言》中提到的双缓冲技术是很重要的，DirectX直接支持显示缓冲的切换，我们在用GDI或者诸如Java
AWT这些慢速的方法绘制动画的时候就更需要这种技术了，否则就会出现讨厌的屏幕闪烁现象。在我们设计
自己的比较大的(外观比较大)控件的时候，有两个原则就特别重要，一是尽量只更新需要更新的区域，另外
就是双缓冲了。
一个线程就是一个执行程序的事例。线程允许一个程序同时在多于一个地方运行，这有些像多个CPU，每一个CPU
执行程序的一部分。在单处理器系统中，只有同时处理才出现线程。
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线程应该是应用程序里的一个执行序列，而Windows在用CreateThread创建线程的时候，最重要的一个参数就是
“Start Address”，这其实被定义为一个函数指针，原型是DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter)。
在多处理器机器中，理想的情况下，每个线程都在一个独立的CPU上运行，而在单处理器系统里，操作系统通过
给每个线程一个运行时间片来模拟所谓的“同时运行”。但是这种“同时”是宏观上看起来的表现，实际上在某个
特定的时刻只有一个线程在运行，这与多处理器的机器是不同的。在多处理器的机器上，有人就建议一个程序
开的线程数量最多不要超过CPU的数量，应为系统在一个CPU上模拟多线程是要付出不小的开销的。
有一点特别重要，单处理器机上，一个线程除非是自己要求挂起自己的，否则不能假设自己会在什么时候被切换出去。
不，每一个线程本身没有SS寄存器和相互依存，实际上，每一个线程在本身所在进程的地址空间内部有一个地址
空间。
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《箴言》中这句话不知道如何理解。但是，每个线程拥有独立的堆栈显然是无比重要的，这是线程机制能够实现
的基本要求之一。按照 尤晋元、史美林等编著的《Windows操作系统原理》中的论述，每个线程都和其相联系的
进程共享地址空间，线程之间的通讯也及其直接，通过带锁的全局变量就可以安全的进行了。
线程于GDI的冲突：死机的主要原因。
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对于这个论题，我写了个程序测试了一下，把结果给大家说说。程序是一个用VC向导生成的基于对话框的程序。
然后程序生成11个线程，每个线程都一样，用对话框窗口的DC随机画直线，每个线程的两次循环里随机Sleep
一个小时间片，其值是10毫秒到30毫秒之间。这个程序我运行了大概有10分钟，并且一直有其他程序窗口在对话框
上移动。结果是并没有出现《箴言》中所说的死锁的情况。
如果大家有像《箴言》中那样出现死锁的程序，请发一份给我，谢谢:-)
当线程用到C的标准库的时候，很容易导致冲突。
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最原始的C标准库是不支持多线程的，其中最重要的原因就是C库里有全局变量。典型的就是这个表示错误号的
errno，你想想，在多线程的环境里，大家都调C库，而errno是个全局变量，那么一旦错误发生，那么errno属于
哪个线程呢？这个时候就必须链接C库的多线程版本了。所以应该是当线程用到单线程的C标准库时很容易导致
冲突。
当用_beginThread来创建，而用CloseHandle来关闭线程时，这些复制的全局结构就不会释放，这就有了内存泄漏。
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其实，一个正确的程序不会出现上面的情况，否则只能说明还没搞明白多线程的程序怎么写。为什么这么说呢？你
如果在标准的C环境里，就用_beginthread好了，然而文档清清楚楚的说明了这个时候要用_endthread来结束线程，
你如果用CloseHandle只能说明你是自作聪明了。在VC/MFC环境里，我就直接AfxBeginThread或者直接用CWinThread
了，这样也同样没有问题。
其实看看VC带的CRT源码：
/*
* Allocate and initialize a per-thread data structure for the to-
* be-created thread.
*/
if ( (ptd = _calloc_crt(1, sizeof(struct _tiddata))) == NULL )
goto error_return;
一切都是这个_calloc_crt引起的，不过话说回来，你按照规则走就不会出问题。
还有一种线程根本不会退出，它一直运行着循环的线程。
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这里好像容易引起误解，其实线程就一种，至于你让不让它结束，何时让它结束，完全是程序员自己的事。这句话可能
会给新手同志误解，还是说明一下了。
一个KERNEL32句柄只在进程自身内部有效，企图将一个进程柄用于另一个进程是没有意义的。
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这句话不太准确，一些全局唯一的句柄，比如Process Handle，完全可以被别的进程使用。
假如进程B知道了进程A的句柄，而且在权限允许的情况下，就可以用TerminateProcess来结束
A线程。
一个真正的Win32程序不会耗尽CPU时间等待某些时间发生。
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事实上，Win32系统里应用程序不会耗尽CPU时间的，因为现在的Windows不会象过去那样等待一个
程序让出控制权，而是可以主动的剥夺一个程序的CPU时间片，只要是操作系统认为应该的时刻。
你完全可以让你的程序 while (1); 而这个时候你的Winamp还会给你放mp3的，不会有任何停顿。
但是通常我们不会用一个循环去不停的检测某个标志，尤其在消息处理函数里要避免这种做法，
因为消息处理函数的停顿在外观上的表现就是你的程序“失去响应”。解决办法可以是开个线程去
循环或者用event之类的notify机制。
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