GUI程序设计原理

  GUI(Graphical User Interface)即图形用户接口，是指用图形方式显示计算机操作的用户界面。相比于早期的计算机使用的命令行，图形界面对于用户来讲更易于接受。

1. 命令行应用程序

  命令行应用程序是一种基于顺序执行结构的可执行程序，如Linux操作系统上的ls、gcc、ifconfig命令。这种可执行程序在执行过程中并不需要与用户交互，程序执行到最后后用户运行结果，如产生一个可执行程序或者给出错误信息。程序的运行有固定的开始和固定的结束。

2. 图形界面应用程序

  随着计算机技术的发展，计算机日趋平民化，计算机用户不再是专业的计算机工作者。为非计算机专业的用户操作计算机，就产生了图形界面应用程序。GUI程序是一种基于消息驱动模型的可执行程序，程序的执行依赖于和用户的交互，实时响应用户操作。GUI程序执行后不会主动退出。

  GUI应用程序都是基于窗口的，其程序流程伪代码如下：

void mian(int argc, char** argv){    //1. 定义主窗口    //2. 创建主窗口    //3. 创建主窗口内的元素    //4. 显示主窗口    //5. 进入消息接收/处理循环    }

  这段伪代码揭示了GUI应用程序的原理。不论是基于跨平台的Qt GUI应用程序，还是基于Windows的MFC等其他GUI应用程序，原理都是如此。

  GUI程序执行后不会主动退出，都停留在接收消息，根据消息执行相应操作的循环。消息处理模型如下：

  以触摸屏为例，当用户点击触摸屏，首先感知到屏幕上被触摸的XY坐标是操作系统内核空间的触摸屏设备驱动程序，然后设备驱动程序会将用户操作封装成消息传递给GUI程序运行时创建的消息队列，GUI程序在运行过程中需要实时处理队列中的消息，当队列没有消息时，程序将处于停滞状态。

3. windows平台上GUI程序示例

  在Windows上实现GUI有很多方法，每一种方法都有着自己的一套开发理念和工具，常见的有：
  a. Windows API：直接调用Windows底层绘图函数。涉及到底层的基本用c语言写的，这些API也是如此。
  b. MFC：使用Windows API封装成控件类
  c. Windows Form：基于.net的GUI开发，完全组件化但是需要.Net运行库支持
…
  其中基于Windows API开发的GUI程序，即是函数调用 + Windows消息处理的方法，这是所有GUI程序的原理。

  Windows API写GUI最基本的函数有：
  a. 向系统注册GUI窗口RegisterClass(定义GUI窗口样式)
  原型：

#define RegisterClass  RegisterClassWATOM WINAPI RegisterClassW(__in CONST WNDCLASSW *lpWndClass);

  b. 创建窗口或窗口元素CreateWindow()

#define CreateWindow  CreateWindowW#define CreateWindowW(lpClassName, lpWindowName, dwStyle, x, y,\nWidth, nHeight, hWndParent, hMenu, hInstance, lpParam)     CreateWindowExW(0L,\lpClassName, lpWindowName, dwStyle, x, y,\nWidth, nHeight, hWndParent, hMenu, hInstance, lpParam)

  用户调用CreateWindow()函数，实则调用

CreateWindowW(    __in_opt LPCWSTR lpClassName,   //创建窗口    __in_opt LPCWSTR lpWindowName,  //窗口的标题    __in DWORD dwStyle,             //窗口的显示风格    __in int X,                     //窗口左上角x坐标    __in int Y,                     //窗口左上角y坐标    __in int nWidth,                //窗口的宽度    __in int nHeight,               //窗口的高度    __in_opt HWND hWndParent,       //父窗口的句柄    __in_opt HMENU hMenu,           //窗口菜单栏/子窗口的标识符    __in_opt HINSTANCE hInstance,   //应用程序实例的句柄    __in_opt LPVOID lpParam         //窗口的创建数据);

  CreateWindowW调用的是CreateWindowExW()函数，CreateWindowExW()将CreateWindowW()的首参数置为0：

HWND WINAPI CreateWindowExW(    __in DWORD dwExStyle,               __in_opt LPCWSTR lpClassName,       __in_opt LPCWSTR lpWindowName,      __in DWORD dwStyle,                 __in int X,    __in int Y,    __in int nWidth,    __in int nHeight,    __in_opt HWND hWndParent,    __in_opt HMENU hMenu,    __in_opt HINSTANCE hInstance,    __in_opt LPVOID lpParam);

  c. 显示创建好的窗口ShowWindow()

BOOL WINAPI ShowWindow(__in HWND hWnd, __in int nCmdShow);  

  hWnd指窗口句柄，nCmdShow指定窗口如何显示

  d. 刷新屏幕上的窗口UpdateWindow()

WINUSERAPI BOOL WINAPI UpdateWindow(__in HWND hWnd);

  e. 获取程序中消息队列中的消息GetMessage()

#define GetMessage  GetMessageWBOOL WINAPI GetMessageW(__out LPMSG lpMsg, __in_opt HWND hWnd, __in UINT wMsgFilterMin, __in UINT wMsgFilterMax);

  f. 翻译系统消息TranslateMessage()

WINUSERAPI BOOL WINAPI TranslateMessage(__in CONST MSG *lpMsg);

  内核空间发到用户空间的消息需要调用此函数翻译后才能传给GUI程序对应的消息处理函数

  g. 将消息发给窗口处理函数DispatchMessage()

#define DispatchMessage  DispatchMessageWWINUSERAPI LRESULT WINAPI DispatchMessageW(__in CONST MSG *lpMsg);

  新建visual studio 2010的Win32工程：

#define STYLE_NAME    L"WIN"#define BUTTON_ID     7777//窗口消息处理函数LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam){    /* 调用系统提供的默认消息处理函数 */    return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);}/* 相当于c/c++的main函数 */BOOL WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow){    MSG msg = {};           //定义一个消息队列    HWND main_hwnd = NULL;  //窗口句柄    HWND hwnd = NULL;       //窗口内的元素句柄    WNDCLASS WndClass = {0};//定义描述窗口样式       //为窗口样式赋值    WndClass.style         = 0;    WndClass.cbClsExtra    = 0;    WndClass.cbClsExtra    = 0;    WndClass.hbrBackground = (HBRUSH)(COLOR_WINDOW);          // 定义窗口背景色    WndClass.hCursor       = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);     // 定义鼠标样式    WndClass.hIcon         = LoadIcon(NULL, IDI_APPLICATION); // 定义窗口左上角图标    WndClass.hInstance     = hInstance;                       // 定义窗口式样属于当前应用程序    WndClass.lpfnWndProc   = WndProc;                         // 窗口消息处理函数    WndClass.lpszClassName = STYLE_NAME;                      // 窗口样式名    WndClass.lpszMenuName  = NULL;    //1. 将定义好的窗口式样注册到系统    RegisterClass(&WndClass);    //2. 创建窗口，返回窗口的句柄    main_hwnd = CreateWindow(STYLE_NAME,       // 通过定义好的窗口式样创建主窗口                        STYLE_NAME,            // 主窗口标题                        WS_OVERLAPPEDWINDOW,   // 创建后主窗口的显示风格                        CW_USEDEFAULT,         // 主窗口左上角 x 坐标                        CW_USEDEFAULT,         // 主窗口左上角 y 坐标                        CW_USEDEFAULT,         // 主窗口宽度                        CW_USEDEFAULT,         // 主窗口高度                        NULL,                  // 父窗口                        NULL,                  // 窗口菜单栏                        hInstance,             // 主窗口属于当前应用程序                        NULL);                 // 窗口参数    //获取该窗口的信息    hInstance = (HINSTANCE)GetWindowLong(hwnd, GWL_HINSTANCE);    //3. 创建窗口内元素，即按钮    hwnd = CreateWindow(L"button",                               // 通过系统预定义式样创建窗口元素                        L"My Button",                            // 窗口元素标题                        WS_CHILD | WS_VISIBLE | BS_PUSHBUTTON,   // 窗口元素的显示风格                        50,                                      // 窗口元素在窗口中的左上角 x 坐标                        50,                                      // 窗口元素在窗口中的左上角 y 坐标                        200,                                     // 窗口元素的宽度                        60,                                      // 窗口元素的高度                        main_hwnd,                               // 窗口元素所在的父窗口                        (HMENU)BUTTON_ID,                        // 窗口元素 ID 值                        hInstance,                               // 窗口元素属于当前应用程序                        NULL);                                   // 窗口元素参数    ShowWindow(main_hwnd,nCmdShow); // 显示窗口    UpdateWindow(main_hwnd);        // 刷新窗口    //4. 循环接收系统消息    while (GetMessage(&msg, NULL, NULL, NULL) )    {        //翻译消息        TranslateMessage(&msg);        //将消息发给对应GUI的消息处理函数        DispatchMessage(&msg);    }     return TRUE;}

  编译运行：

  程序运行窗口如图。对该窗口可以利用鼠标操作进行最大/小化，拖动等。用户利用鼠标操作该窗口时，操作系统的内核会收到用户的输入信息并转换为消息发给当前的GUI程序，GUI程序的WndProc()函数收到消息后，执行相应处理。在WndProc()中，调用DefWindowProc()执行默认处理，这就是为什么程序对鼠标的最大/小化操作、拖动等能响应，而在代码中我们并没有位这些操作设置响应函数的原因。

  但是注意，点击关闭按钮后，窗口虽然被关闭了但是GUI程序并没有退出，显然这是因为DefWindowProc()对窗口关闭按钮并没有默认操作。在实际软件中有点击窗口关闭按钮并不一定是退出GUI程序，如windows的金山词霸，点击关闭按钮只是将其放到后台执行。另外，当鼠标点击“my button”按钮时并无反应，这也是因为消息处理函数并没有对应按钮消息的执行操作，修改如下：

HWND main_hwnd = NULL;  //窗口句柄//窗口消息处理函数LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam){    //处理窗口关闭按钮    if (message == WM_DESTROY)        PostQuitMessage(0);    //处理窗口内按钮点击操作    if (message == WM_COMMAND)  //按钮按下操作属于WM_COMMAND    {        if (HIWORD(WM_COMMAND) == BN_CLICKED) //HIWORD(WM_COMMAND)表示从WM_COMMAND中拿到按钮是点击                                              //拖动还是长按，BN_CLICKED表示点击        {            //弹出对话框            MessageBox(main_hwnd, L"Hello Button!", L"Message", 0);        }    }    /* 其他操作调用系统提供的默认消息处理函数 */    return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);}

  这样就能使得GUI程序能处理关闭按钮消息和按钮点击消息了。

  综上，GUI程序的开发，分为两部分：
  (1) 在代码中用程序创建窗口及窗口内元素
  (2) 在消息处理函数中根据内核空间发来的消息做出对应的响应