消息机制与事件处理

1. 前言

1.1 什么是消息?

要更好地使用C++进行Windows编程,就需要进一步了解其消息机制。在Windows应用程序中,事件驱动是围绕着消息的产生和处理展开的,消息是对发生的事件的描述信息。消息通知程序有关事件的发生。一条消息包含有消息的名字、标识、消息发生时的一些参数,以及处理这条消息的函数入口指针。每当用户进行某种操作,比如鼠标单击或键盘按键,就会触发相应的事件。而事件是以消息的方式通知Windows应用程序的。一旦应用程序获得某条消息,就根据消息映射表查找相应消息的响应函数的入口地址,调用该函数处理消息,完成用户预期的功能。

1.2 在哪里产生消息?在哪里对消息进行响应?

在Windows操作系统中,应用程序主要以窗口的形式存在。窗口是一个可视的人机交互界面,用来接收各种事件,如用户键盘/鼠标事件、外设的请求事件、定时器的请求事件、信号量的请求事件等。因此,它也就成为应用程序控制消息的发送端和接收端。即Windows应用程序是围绕窗口进行的,窗口不仅提供了可视化的应用程序的界面,也是Windows消息的产生和响应的地方。

1.3 Windows系统如何实现消息机制?

消息的产生是由于相应的事件被触发;消息的发送以队列形式进行;消息响应遵循一定的顺序。MFC类库为这种消息响应机制提供了完整的处理功能。MFC类库中的很多类都具有处理相应消息的功能。在面向过程的程序设计方式中,对外设,比如鼠标、键盘等的控制是通过轮询方式进行,即分别定时查询这些设备的输入请求来完成的。而在Windows环境中,这些控制是通过消息机制完成的。因此,Windows也被称为“基于事件驱动的、消息机制的”操作系统。消息机制是Windows能进行多任务并发处理的基础,它保证了Windows下同时运行的程序能够协同作业。

在Windows中,应用程序都包含一个消息循环。该消息循环持续反复检测消息队列,查看是否有用户事件消息,这些用户事件消息包括鼠标移动、单击、双击、键盘操作和计时器到达等。事实上,这些事件首先被Windows系统接收到。当Windows接收到这些事件后,会产生一些相应的描述事件的消息,并且将这些消息分发到相应的应用程序。应用程序接到这些消息后,根据不同的消息查询消息映射,调用其相应的消息响应函数,完成一定的功能与过程。这一系列动作称之为消息响应。

2. Calling机制

调用(calling)机制从汇编时代起已经大量使用:准备一段现成的代码,调用者可以随时跳转至此段代码的起始地址,执行完后再返回跳转时的后续地址。CPU为此准备了现成的调用指令,调用时可以压栈保护现场,调用结束后从堆栈中弹出现场地址,以便自动返回。借堆栈保护现场真是一项绝妙的发明,它使调用者和被调者可以互不相识,于是才有了后来的函数和组件,使吾辈编程者如此轻松愉快。

3. Callback机制

调用机制并非完美。回调函数就是一例。函数之类本是为调用者准备的美餐,其烹制者应对食客了如指掌,但实情并非如此。例如,写一个快速排序函数供他人调用,其中必包含比较大小。麻烦来了:此时并不知要比较的是何类数据--整数、浮点数、字符串?于是只好为每类数据制作一个不同的排序函数。 更通行的办法是在函数参数中列一个回调函数地址,并通知调用者:君需自己准备一个比较函数,其中包含两个指针类参数,函数要比较此二指针所指数据之大小,并由函数返回值说明比较结果。排序函数借此调用者提供的函数来比较大小,借指针传递参数,可以全然不管所比较的数据类型。被调用者回头调用调用者的函数(够咬嘴的),故称其为回调(callback)。

回调函数使程序结构乱了许多。Windows API函数集中有不少回调函数,尽管有详尽说明,仍使初学者一头雾水。恐怕这也是无奈之举。无论何种事物,能以树形结构单向描述毕竟让人舒服些。如果某家族中孙辈又是某祖辈的祖辈,恐怕无人能理清其中的头绪。但数据处理之复杂往往需要构成网状结构,非简单的客户/服务器关系能穷尽。

4. 操作系统与应用程序的关系——广义回调/消息机制

Windows系统还包含着另一种更为广泛的回调机制,即消息机制。消息本是Windows的基本控制手段,乍看与函数调用无关,其实是一种变相的函数调用。发送消息的目的是通知收方运行一段预先准备好的代码,相当于调用一个函数。消息所附带的WParam和LParam相当于函数的参数,只不过比普通参数更通用一些。应用程序可以主动发送消息,更多情况下是坐等Windows发送消息。一旦消息进入所属消息队列,便检感兴趣的那些,跳转去执行相应的消息处理代码。操作系统本是为应用程序服务,由应用程序来调用。而应用程序一旦启动,却要反过来等待操作系统的调用。这分明也是一种回调,或者说是一种广义回调。

其实,应用程序之间也可以形成这种回调。假如进程B收到进程A发来的消息,启动了一段代码,其中又向进程A发送消息,这就形成了回调。 这种回调比较隐蔽,弄不好会搞成递归调用,若缺少终止条件,将会循环不已,直至把程序搞垮。若是故意编写成此递归调用,并设好终止条件,倒是很有意思。但这种程序结构太隐蔽,除非十分必要,还是不用为好。

5. 同步调用与异步调用

利用消息也可以构成狭义回调。上面所举排序函数一例,可以把回调函数地址换成窗口handle。如此,当需要比较数据大小时,不是去调用回调函数,而是借API函数SendMessage向指定窗口发送消息。收到消息方负责比较数据大小,把比较结果通过消息本身的返回值传给消息发送方。所实现的功能与回调函数并无不同。当然,此例中改为消息纯属画蛇添脚,反倒把程序搞得很慢。但其他情况下并非总是如此,特别是需要异步调用时,发送消息是一种不错的选择。假如回调函数中包含文件处理之类的低速处理,调用方等不得,需要把同步调用改为异步调用,去启动一个单独的线程,然后马上执行后续代码,其余的事让线程慢慢去做。一个替代办法是借API函数PostMessage发送一个异步消息,然后立即执行后续代码。这要比自己搞个线程省事许多,而且更安全。

6. 事件与对象

如今我们是活在一个object时代。只要与编程有关,无论何事都离不开object。但object并未消除回调,反而把它发扬光大,弄得到处都是,只不过大都以事件(event)的身份出现,镶嵌在某个结构之中,显得更正统,更容易被人接受。应用程序要使用某个构件,总要先弄清构件的属性、方法和事件,然后给构件属性赋值,在适当的时候调用适当的构件方法,还要给事件编写*处理例程,以备构件代码来调用。何谓事件?它不过是一个指向事件例程的地址,与回调函数地址没什么区别。

不过,此种回调方式比传统回调函数要高明许多。首先,它把让人不太舒服的回调函数变成一种自然而然的处理例程,使编程者顿觉气顺。再者,地址是一个危险的东西,用好了可使程序加速,用不好处处是陷阱,程序随时都会崩溃。现代编程方式总是想法把地址隐藏起来(隐藏比较彻底的如 VB 和 Java),其代价是降低了程序效率。事件例程使编程者无需直接操作地址,但并不会使程序减速。更妙的是,此一改变,本是有损程序结构之奇技怪巧变成一种崭新设计理念,不仅免去被人抨击,而且逼得吾等凡人净手更衣,细细研读,仰慕至今。

7. 消息与事件的区别

事件是一个动作——用户触发的动作。

消息是一个信息——传递给系统的信息。

事件与消息的概念在计算机中较易混淆,但本质不同:

事件由用户触发且只能由用户触发,操作系统能够感觉到由用户触发的事件,并将此事件转换为一个特定的消息发送到程序的消息队列中。

这里强调的是

可以说“用户触发了一个事件”,而不能说“用户触发了一个消息”。

用户只能触发事件,而事件只能由用户触发。

一个事件产生后,将被操作系统转换为一个消息,所以一个消息可能是由一个事件转换而来或者由操作系统产生。

总结事件和消息的来源

事件:只能由用户通过外设的输入产生。

消息:产生消息的来源有三个

(1) 由操作系统产生。

(2) 由用户触发的事件转换而来。

(3) 由另一个消息产生。

注: 上述描述似乎不太严谨,如定时器事件应该算是内部事件,并非用户产生。

个人总结

程序是数据的流动。所有的编程技术(tricks)都在往两个方面去努力:

减少时间消耗——时间调度算法(操作系统、进程、线程)

减少内存(空间)消耗——内存管理

时间与空间互换与平衡

在开发效率和执行效率之间寻求平衡(trade-off)

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