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Windows 消息循环

11/16/2018 Windows

Windows 消息循环 && 消息循环在 WPF 中的应用

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# 1 程序是怎么跑起来的？

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Hello Cvte.");
        Console.ReadLine();
    }
}

这是一段 C# Main 函数，如果不写 Console.ReadLine(); ，则程序会“一闪而过”，写了 Console.ReadLine(); 程序会阻塞，可以查看结果。 下面看一段复杂一点点的：

Console.WriteLine("Starting, Input Something:");
while (true)
{
    string input = Console.ReadLine();
    if (input == "exit")
    {
        break;
    }
    else
    {
        Console.WriteLine(
            !string.IsNullOrWhiteSpace(input)
            ? $"Your Input to lower is:{input.ToLower()}"
            : "You Inputted Nothing");
    }
}

这里有一个 while 循环，这样程序就可以一直运行了，我们可以说：这个程序由这个 while 循环驱动。

那，Windows 程序是由什么驱动的，答案呼之欲出：“消息循环”。

# 2 消息循环的数据结构

typedef struct {  
    HWND hwnd;      // 消息的目标窗口句柄
    UINT message;   // 消息标识
    WPARAM wParam;  // 16位的参数
    LPARAM lParam;  // 32位的参数
    DWORD time;     // 消息发生的时间
    POINT pt;       // 消息发生时，鼠标的屏幕坐标
} MSG, *PMSG;

# 2.1 消息的分类

消息的取值范围是 0x0000 - 0xFFFF。

从 0x0000 到 0x03FF，为系统定义的消息，常见的 WM_PAINT、WM_CREATE 等均在其中； 从 0x0400 到 0x7FFF，专用于用户自定义的消息，可以使用 WM_USER + x 的形式自行定义，其中WM_USER 的值就是 0x0400，x 取一个整数； 从 0x8000 到 0xBFFF，从 Windows 95 开始，也用作用户自定义的消息范围，可以使用 WM_APP + x 的形式自行定义。 根据微软的建议，WM_APP类消息用于程序之间的消息通信，而 WM_USER 类消息则最好用于某个特定的窗口类。 微软自己遵循这一惯例，所以，公用控件的消息，如 TVM_DELETEITEM，基本都是 WM_USER 类属。 从 0xC000 到 0xFFFF，这个区段的消息值保留给 RegisterWindowMessage 这个 API，此 API 可以接受一个字符串，把它变换成一个唯一的消息值。

# 3 消息的处理流程

消息产生 => 消息队列 => 消息循环 => 消息处理

# 3.1 消息产生

消息产生的源头

  • 系统 一部分由输入设备（键盘鼠标等）产生，如 WM_MOUSEMOVE 。
    一部分由系统User库自己产生，User部分（或者是系统内的其他部分通过User部分）为了实现自身的正常行为或者管理功能而主动生成的。如 WM_WINDOWPOSCHANGED。

  • 应用程序自定义的消息

消息产生的方式

这里说主要的两个消息产生函数

  • SendMessage 等待消息处理完成后，SendMessage才返回。 深入一点的表达式：等待窗口处理函数返回后，SendMessage才返回。

  • PostMessage 不等待消息处理完成，立刻返回。 PostMessage只管发送消息，消息有没有被送到则并不关心，只要发送了消息，便立刻返回。

两个问题： 问：消息产生之后到了哪里？
答：消息队列。

问：SendMessage 产生的消息，会进入消息队列吗？ 答：在同一个线程内，SendMessage 会直接调用目标窗口的窗口过程函数处理消息，并等待其返回。 跨线程的情况，SendMessage 会将消息发送到目标线程的消息队列（高优先级，排序在前）。然后等待目标线程的返回值。

# 3.2 消息队列

  • 系统消息队列 接收输入设备的消息，分配给线程消息队列。
    输入设备（键盘、鼠标或者其他）的驱动程序会把用户的操作输入转化成消息放置于系统队列中，然后系统会把此消息转到目标窗口所在线程的消息队列中等待处理。

  • 线程(UI)消息队列 当前UI线程中的消息。
    每一个GUI线程都会维护这样一个线程消息队列。（这个队列只有在线程调用 User 或者 GDI 函数时才会创建，默认并不创建）。然后线程消息队列中的消息会被本线程的消息循环（有时也被称为消息泵）派送到相应的窗口过程（也叫窗口回调函数）处理。

两个问题： 问：消息队列属于谁？
答：属于UI线程（不属于窗口）。

问：非UI线程有消息队列吗？ 没有。

# 3.3 消息循环

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

如上，消息循环就是一个 while 循环，与文章最开始提到 while 向呼应。
其中 GetMessage 取出消息，TranslateMessage 翻译消息，DispatchMessage 调度消息。

问：消息循环属于谁？
答：每一个UI线程有一个消息循环（不是每一个窗口。）

消息循环的另一个样子：

while (!done)
{
    if (PeekMessage(&msg, NULL, 0, 0, PM_REMOVE))
    {
        if (msg.message == WM_QUIT)
        {
            done = TRUE;
        }
        else
        {
            TranslateMessage(&msg);
            DispatchMessage(&msg);
        }
    }
    else
    {
        // 还可以驱动点别的事情，如 openGL 绘图。
    }
}

分别来看：

  • 取出消息

GetMessage
GetMessage会阻塞等待，直到取到一个消息。

PeekMessage PeekMessage则不阻塞，立即返回。
PeekMessage有一个标志参数，这个标志参数指定了如果队列中如果有消息的话，PeekMessage 的行为。 如果该标志中含有 PM_REMOVE，则 PeekMessage 会把新消息返回到 MSG 结构中，正如 GetMessage 的行为那样。 如果标志中指定了 PM_NOREMOVE，则不会从消息队列中移除任何消息。

  • 翻译消息 望文生义地看，翻译消息是对消息数据结构进行某种转换吗？
    不是的，TranslateMessage不修改原有消息，只在特定情况下产生新的消息。

TranslateMessage函数不修改由参数lpMsg指向的消息结构。
仅为那些由键盘驱动器映射为ASCII字符的键产生WM_CHAR消息。
如：
消息WM_KEYDOWN和WM_KEYUP组合产生一个WM_CHAR或WM_DEADCHAR消息。
消息WM_SYSKEYDOWN和WM_SYSKEYUP组合产生一个WM_SYSCHAR或 WM_SYSDEADCHAR 消息。

所以，如果程序中没有字符处理的需要，这句是可以不要的。

  • 分派消息 将消息分配给 hwnd 指定的窗口函数，让其处理。
    如果没有找到对应的窗口，则丢弃。

# 3.4 消息处理

消息在消息循环中被分配到指定的窗口过程函数，由其处理。

// 有删减的窗口过程函数
LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
	switch (message)
	{
	case WM_COMMAND:
	case WM_PAINT:
	case WM_CREATE:
	default:
	return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
	}
	return 0;
}

回顾两个问题： 问：WndProc 函数由谁调用？ 答：DispatchMessage or SendMessage。 从上文中可以看到，窗口过程函数不是有程序员自己调用的，而是系统在恰当的时机调用，这个时机就是 DispatchMessage or SendMessage。

问：未处理的消息交给谁？ 答：DefWindowProc。 DefWindowProc只处理关闭等感兴趣的消息，其它的消息则忽略。

# 回顾

消息队列和消息循环属于UI线程，窗口没有，其它普通线程没有。
窗口有自己的窗口过程函数，消息在这里被处理。
消息循环驱动整个程序跑起来。

想一睹消息循环究竟是如何跑起来的？ 原始 win32 窗口是如何被创建的？

在 VS 中，新建一个win32的窗口程序，即可看到。

win32/MFC/WinForm/WPF 都依靠消息循环驱动，让程序跑起来。

# 4 消息循环在 WPF 中的应用

# 4.1 引入

只听说过 Dispatcher ，哪里来的消息循环？

先瞧一眼 WPF 启动运行堆栈：

可以发现 PushFrameImpl 这个方法。
去看其源码，就发现了熟悉的消息循环 ：

可以理解为：Dispatcher 对消息循环的操作进行了“封装” 。 那，Dispatcher 是谁？

# 4.2 Dispatchcer

Provides services for managing the queue of work items for a thread.
提供用于管理线程工作项队列的服务。

大部分WPF对象，都是 DispatcherObject。这意味着，可以在 DispatcherObject 中（如 Window 中）， 使用 this.Dispatchcer 获取到 Dispatchcer 。

一般我们会通过三种方式获取 Dispatchcer ：

// App.Current.Dispatcher;（Application.Current.Dispatcher）
var dispatcher1 = App.Current.Dispatcher;

// CurrentDispatcher;
var dispatcher2 = System.Windows.Threading.Dispatcher.CurrentDispatcher;

// System.Windows.Threading.DispatcherObject.Dispatcher;
var dispatcher3 = this.Dispatcher;

可分为两类：

  • 当前线程的 Dispatcher： System.Windows.Threading.Dispatcher.CurrentDispatcher；

  • 创建对应对象的 Dispatcher: App.Current.Dispatcher; DispatcherObject.Dispatcher;

可参见： Why not Dispather.CurrentDispatcher - haungtengxiao (opens new window)

Dispatcher 和线程是什么关系？

  • Dispatcher 属于线程（与线程一一对应）。
  • WPF的对象在获取this.Dispatcher属性时，不同对象取的都是同一个Dispatcher实例。（因为都是同一个UI线程创建的。）
  • 在默认的 WPF UI线程中： App.Current.Dispatcher = DispatcherObject.Dispatcher

所有的线程（UI线程，普通线程）都有 Dispatcher 吗？ 是的。

在所有线程中，调用 System.Windows.Threading.Dispatcher.CurrentDispatcher 都会得到一个属于这个线程的 Dispatcher 对象。（不用的时候不会创建） 所以：如果你想在一个后台线程中，使用 Dispatcher.CurrentDispatcher.Invoke 将操作封送到 UI 线程，是做不到的。因为这时候获取到的 Dispatcher 不是UI线程的 Dispatcher , 而是当前线程自己的 Dispatcher。

# 4.3 Dispatcher 如何实现跨线程的调用。

最常使用 Dispatcher 的创建就是，在后台线程更新 UI ，那 Dispatcher 是如何做到的呢。

当你调用

Application.Current.Dispatcher.Invoke(() =>
{
    SendMessageBtn.Content = "更新按钮";
});

时，Dispatcher 究竟做了什么，把操作转移到 UI 线程上去了。

关于 Invoke,InvokeSync,BeginInvoke 的区别，参见： 深入了解 WPF Dispatcher 的工作原理（Invoke/InvokeAsync 部分） - walterlv (opens new window)

  1. 将调用的Delegate和优先级包装成一个DispatcherOperation放入Dispatcher维护的优先级队列当中，这个Queue是按DispatcherPriority排序的，总是高优先级的DispatcherOperation先被处理。

  2. 往当前线程的消息队列当中Post一个名为MsgProcessQueue的Message。（这个消息是WPF自己定义的。）这个消息被Post到消息队列之前，还要设置MSG.Handle，这个Handle就是Window 1#的Handle。指定Handle是为了在消息循环Dispatch消息的时候，指定哪个窗口的 WndProc 处理这个消息。

  3. 消息循环读取消息。

  4. 系统根据获取消息的Handle，发现跟Window1#的Handle相同，那么这个消息派发到Window1#的窗口过程，让其处理。

  5. 在窗口过程中，优先级队列当中取一个DispatcherOperation。

  6. 执行DispatcherOperation.Invoke方法，Invoke方法的核心就是调用DispatcherOperation构造时传入的Delegate，也就是Dispatcher.BeginInvoke传入的Delegate。最终这个Foo()方法就被执行了。

# 4.4 回顾

  • WPF 底层仍然靠信息循环来驱动。
  • Dispatcher 使用消息循环来实现跨进程的委托调用。
  • Dispatcher 属于线程，需要理解当前拿到的 Dispatcher 到底是哪个 Dispatcher 。

参考资料：

Windows 消息机制浅析 - bitbit - 博客园 (opens new window)

SendMessage、PostMessage原理-大白菜-51CTO博客 (opens new window)

WPF的消息机制（一）- 让应用程序动起来 - 葡萄城技术团队 - 博客园 (opens new window)

WPF的消息机制（二）- WPF内部的5个窗口之隐藏消息窗口 - 葡萄城技术团队 - 博客园 (opens new window)

WPF的消息机制（三）- WPF内部的5个窗口之处理激活和关闭的消息窗口以及系统资源通知窗口 - 葡萄城技术团队 - 博客园 (opens new window)

Why not Dispather.CurrentDispatcher - haungtengxiao (opens new window)

深入了解 WPF Dispatcher 的工作原理（Invoke/InvokeAsync 部分） - walterlv (opens new window)

Tutorial: Getting Started (opens new window)

更新时间: Friday, March 12, 2021 22:54

Mutex 的正确打开方式