Тема 5. Механизм сообщений в операционных системах

Учебные вопросы

• Консольная модель vs событийный оконный GUI
• Класс окна (WNDCLASSEXW) и дескриптор HWND
• Анатомия структуры MSG, WPARAM и LPARAM
• Поток RIT, очереди потока и главный цикл выборки
• Синхронный SendMessage vs асинхронный PostMessage
• Системный ввод мыши и клавиатуры (WM_CHAR)

Цели занятия

• Освоить концепцию инверсии управления (IoC)
• Изучить регистрацию и параметры оконного класса
• Разобрать внутреннее устройство структуры сообщения MSG
• Понять работу очередей потока и синтетических флагов
• Освоить построение циклов с GetMessage и PeekMessage
• Изучить механизмы хит-тестинга и трансляции символов

Консольная модель (Линейная)

• Программа жестко управляет потоком выполнения
• Блокирующий ввод: scanf усыпляет поток до нажатия Enter
• Невозможно параллельно реагировать на действия пользователя
• Монопольное исполнение без интерактивности

Событийная модель (GUI)

• Инверсия управления (Inversion of Control):
  • ОС управляет главным потоком событий
  • Программа регистрирует функции обратного вызова
• Цикл сообщений: непрерывный опрос очереди
• Отзывчивый интерфейс и параллельная обработка окон

Понятие класса окна

• Окно не может быть создано без предварительно зарегистрированного класса
• Задает общие атрибуты окон данного типа
• Регистрируется вызовом RegisterClassExW

Ключевые поля WNDCLASSEXW

• lpfnWndProc: указатель на оконную процедуру (Callback)
• style: стили перерисовки (CS_HREDRAW | CS_VREDRAW)
• hInstance: дескриптор загруженного модуля
• hCursor, hIcon: системный курсор и пиктограмма
• lpszClassName: уникальное имя класса в системе

Стандартные элементы управления

• Все элементы управления Windows — это полноценные окна HWND
• Создаются вызовом CreateWindowExW со стилями WS_CHILD | WS_VISIBLE
• Имеют встроенную стандартную процедуру окна внутри USER32.DLL

Базовые предопределенные классы

• L"BUTTON": командные кнопки, чекбоксы, радиокнопки
• L"EDIT": однострочные и многострочные поля ввода текста
• L"STATIC": текстовые надписи, рамки и изображения
• L"LISTBOX": списки элементов с выбором
• L"COMBOBOX": комбинированные выпадающие списки

Проблема связывания с C++

• WndProc в Си обязана быть статической функцией
• Не может напрямую обращаться к нестатическим полям класса C++
• Требуется безопасный механизм доступа к указателю this

Системное решение UserData

// Сохранение указателя this при WM_CREATE:
SetWindowLongPtrW(hwnd, GWLP_USERDATA, 
    (LONG_PTR)pThis);

// Извлечение объекта внутри WndProc:
MyWindow *pWnd = (MyWindow*)
    GetWindowLongPtrW(hwnd, GWLP_USERDATA);

if (pWnd) {
    return pWnd->HandleMessage(uMsg, wParam, lParam);
}

Поля структуры MSG

typedef struct tagMSG {
    HWND   hwnd;    // Окно-получатель
    UINT   message; // Идентификатор (ID)
    WPARAM wParam;  // Параметр (Word)
    LPARAM lParam;  // Параметр (Long)
    DWORD  time;    // Системное время
    POINT  pt;      // Координаты мыши
} MSG;

Назначение WPARAM и LPARAM

• WM_SIZE: wParam — тип изменения; lParam хранит width (LOWORD) и height (HIWORD)
• WM_LBUTTONDOWN: wParam — флаги кнопок (MK_CONTROL); lParam хранит $X$ и $Y$
• WM_COMMAND: LOWORD(wParam) — ID элемента, HIWORD(wParam) — код события

Роль потока Raw Input Thread (RIT)

• Системный поток реального времени в ядре win32k.sys
• Считывает аппаратные прерывания клавиатуры и мыши
• Выполняет хит-тестинг: определяет окно под курсором
• Маршрутизирует ввод в аппаратную очередь целевого потока

Структура очереди потока

1. Очередь отложенных сообщений (Posted Queue): FIFO буфер для сообщений PostMessage
2. Очередь аппаратного ввода: события мыши и клавиатуры
3. Синтетические флаги:
   • WM_PAINT — взводится при инвалидации области
   • WM_TIMER — взводится по таймеру
   • Обрабатываются только при пустых очередях 1 и 2!

Блокирующий цикл: GetMessage

MSG msg;
// Возвращает 0 только при WM_QUIT
while (GetMessageW(&msg, NULL, 0, 0) > 0) {
    // Генерация WM_CHAR из скан-кодов
    TranslateMessage(&msg);
    // Вызов оконной процедуры msg.hwnd
    DispatchMessageW(&msg);
}
return (int)msg.wParam;

• Поток спит в ядре, если сообщений нет (0% нагрузки ЦПУ)

Неблокирующий цикл: PeekMessage

while (true) {
    if (PeekMessageW(&msg, 0, 0, 0, PM_REMOVE)) {
        if (msg.message == WM_QUIT) break;
        TranslateMessage(&msg);
        DispatchMessageW(&msg);
    } else {
        RenderNextFrame(); // Рендеринг / логика
    }
}

Структура функции WndProc

LRESULT CALLBACK MainWindowProc(
    HWND hwnd, UINT uMsg, 
    WPARAM wParam, LPARAM lParam) 
{
    switch (uMsg) {
    case WM_PAINT: {
        PAINTSTRUCT ps;
        HDC hdc = BeginPaint(hwnd, &ps);
        // Рисование графики...
        EndPaint(hwnd, &ps);
        return 0;
    }
    case WM_DESTROY:
        PostQuitMessage(0); // Выход
        return 0;
    default:
        // Обязательная передача в ОС!
        return DefWindowProcW(hwnd, 
            uMsg, wParam, lParam);
    }
}

Важность DefWindowProcW

• Выполняет базовую системную обработку сотен служебных сообщений Windows
• Отвечает за анимацию рамки, системное меню, отрисовку неклиентской зоны
• Пропуск DefWindowProcW приводит к зависанию окна!

Клиентские сообщения мыши

• Генерируются при нахождении курсора над рабочей областью окна
• WM_MOUSEMOVE: перемещение мыши
• WM_LBUTTONDOWN / WM_LBUTTONUP: нажатие и отпускание ЛКМ
• WM_RBUTTONDOWN: контекстные действия (ПКМ)
• WM_MOUSEWHEEL: дельта вращения колеса мыши

Извлечение координат курсора

case WM_LBUTTONDOWN: {
    int x = GET_X_LPARAM(lParam);
    int y = GET_Y_LPARAM(lParam);
    UINT flags = (UINT)wParam; // MK_CONTROL
    // Обработка клика в точке (x, y)...
    return 0;
}

Механизм захвата мыши (SetCapture)

• По умолчанию сообщения мыши привязаны к окну под курсором
• При перетаскивании (Drag-and-Drop) курсор может покинуть границы окна
• SetCapture(hwnd): направляет все сообщения мыши окну, даже вне экрана
• ReleaseCapture(): обязательно вызывается при отпускании кнопки

Хит-тестинг: WM_NCHITTEST

• Опрашивает окно: «В какой зоне находится курсор?»
• HTCLIENT: рабочая область
• HTCAPTION: заголовок (перетаскивание)
• HTCLOSE: кнопка закрытия [X]
• Возврат HTCAPTION в теле клиентской зоны позволяет перетаскивать окно за любое место!

Уровни обработки ввода

1. Аппаратные скан-коды (Scan Codes):
   • Номера контактов микроконтроллера клавиатуры
   • Зависят от физической модели устройства
2. Виртуальные коды (Virtual-Key Codes, VK_*):
   • Аппаратно-независимые системные константы
   • VK_LEFT, VK_RIGHT, VK_F1, VK_RETURN, VK_SPACE

Системные сообщения клавиш

• WM_KEYDOWN: физическое нажатие клавиши; код клавиши передается в wParam
• WM_KEYUP: отпускание клавиши
• WM_SYSKEYDOWN: нажатия системных комбинаций (с клавишей Alt)

Генерация символов: TranslateMessage

• WM_KEYDOWN не содержит символа с учетом раскладки и регистра
• Функция TranslateMessage(&msg) сопоставляет скан-код, раскладку и Shift/Caps
• Синтезирует сообщение WM_CHAR и ставит его в очередь потока
• В wParam передается готовый код UTF-16 (wchar_t)

Фокус клавиатурного ввода

• Сообщения клавиатуры направляются только окну с фокусом
• WM_SETFOCUS: окно получило фокус ввода
• WM_KILLFOCUS: окно потеряло фокус (переключение на другой элемент)
• Программная установка: SetFocus(hwnd)

Классы и очереди

• Архитектура GUI построена на инверсии управления (IoC)
• WNDCLASSEXW связывает класс окна с оконной процедурой (lpfnWndProc)
• Поток RIT транслирует аппаратные прерывания в очереди потоков
• WM_PAINT и WM_TIMER — синтетические флаги низкого приоритета

Сообщения и ввод

• PostMessage ставит сообщение в очередь; SendMessage вызывает WndProc напрямую
• GetMessage обеспечивает энергоэффективный сон; PeekMessage — неблокирующий опрос
• Пропуск DefWindowProcW приводит к фатальному зависанию окна
• TranslateMessage преобразует скан-коды в символы Юникода WM_CHAR