Тема 6. Организация графического пользовательского интерфейса в операционных системах

Учебные вопросы

• Архитектура подсистемы и DWM
• Оконные классы и CreateWindowEx
• Ресурсы приложений (.rc, .rsrc)
• Меню окна и сообщение WM_COMMAND
• Диалоги: модальные vs немодальные
• Контекст устройства HDC и объекты GDI
• Жизненный цикл WM_PAINT и буферизация
• Direct2D и аппаратный композитинг

Цели занятия

• Освоить архитектуру USER, GDI, DWM и WDDM
• Изучить регистрацию классов и создание окон
• Изучить изоляцию и компиляцию ресурсов
• Разобрать механику диалоговых окон
• Овладеть работой с контекстом HDC
• Освоить технику двойной буферизации
• Понять модель вывода Direct2D

Разделение уровней и Ring 0

• User Mode (Ring 3): user32.dll (окна, ввод, меню) и gdi32.dll (примитивы, шрифты)
• Kernel Mode (Ring 0): системныйсистемный драйвер win32k.sys (win32kbase.sys, win32kfull.sys)
• Перенос оконного менеджера в ядро исключил накладные расходы на межпроцессный контекст csrss
• ДиспетчерДиспетчер ядраядра dxgkrnl.sys: виртуализация GPU и видеопамяти

DWM и композитная модель

• Desktop Window Manager (dwm.exe):
  • Окна рисуют в изолированные буферы видеопамяти
  • Композитинг кадров через шейдеры Direct3D
  • Устранено затирание перекрытых окон
• WDDM (Windows Display Driver Model):
  • User-Mode Driver (UMD) для Direct3D/Vulkan
  • Kernel-Mode Driver (KMD) вендора GPU

Структура и регистрация

• Оконный класс — ядерная структура win32k, определяющая базовые атрибуты окна
• Регистрация: RegisterClassExW(&wc) возвращает уникальный атом ATOM
• cbSize: строгий контроль размера структуры sizeof(WNDCLASSEXW)
• lpfnWndProc: адрес глобальной оконной процедуры обработки сообщений
• cbWndExtra: системные дополнительные байты для привязки контекста

Стили класса и ресурсы

• CS_HREDRAW | CS_VREDRAW: перерисовка окна при изменении геометрии
• CS_DBLCLKS: посылка сообщений двойного клика мыши (WM_LBUTTONDBLCLK)
• CS_OWNDC: выделение уникального контекста устройства HDC (для OpenGL)
• hIcon / hIconSm: пиктограммы для панели задач и заголовка
• hCursor: курсор мыши (LoadCursorW)
• hbrBackground: кисть заливки фона окна

Системная фабрика CreateWindowExW

• Создает дескриптор HWND на основе зарегистрированного класса
• Параметры: dwExStyle, имя класса, заголовок, dwStyle, координаты $(X, Y, W, H)$, родитель hWndParent, меню/ID hMenu, дескриптор модуля hInstance, lpParam
• Стили WS_*:
  • WS_OVERLAPPEDWINDOW: заголовок, системное меню, рамка изменения размера, кнопки окна
  • WS_POPUP, WS_CHILD: всплывающие окна и дочерние элементы управления

Расширенные стили и связь с C++

• Стили WS_EX_*: WS_EX_TOPMOST (поверх всех), WS_EX_LAYERED (прозрачность), WS_EX_COMPOSITED
• Инициализация: ядро посылает сообщение WM_CREATE (CREATESTRUCTW*)
• Мост C++ $\leftrightarrow$ Win32: передача this через lpParam при вызове CreateWindowExW
• В WM_CREATE указатель извлекается и сохраняется через SetWindowLongPtrW(hWnd, GWLP_USERDATA, (LONG_PTR)pThis)

Дескриптор HMENU и типы меню

• Главное меню (Menu Bar): полоса в верхней неклиентской части окна
• Подменю (Popup): выпадающие списки (MF_POPUP)
• Контекстное меню: показ через TrackPopupMenu
• Способы связывания с окном:
  • Через поле lpszMenuName в WNDCLASSEX
  • Аргумент hMenu в CreateWindowEx
  • Динамически вызовом SetMenu(hWnd, hMenu)

Клавиатурные акселераторы

• Горячие клавиши транслируются вызовом:

  if (!TranslateAccelerator(hWnd, hAccel, &msg)) {
      TranslateMessage(&msg);
      DispatchMessage(&msg);
  }
  

• Преобразует нажатиенажатие клавиш сразу в WM_COMMAND

Спецификация параметров

• LOWORD(wParam):
  Идентификатор команды меню, акселератора или элемента (IDM_FILE_OPEN)
• HIWORD(wParam):
  • 0 — источник: меню
  • 1 — источник: клавиатурный акселератор
  • Иное — уведомление элемента управления
• lParam:
  Дескриптор HWND элемента (для меню и акселераторов равен NULL)

Паттерн обработки в WndProc

case WM_COMMAND: {
    switch (LOWORD(wParam)) {
    case IDM_FILE_OPEN:
        DoFileOpen(hWnd);
        return 0;
    case IDM_FILE_EXIT:
        DestroyWindow(hWnd);
        return 0;
    default:
        return DefWindowProc(hWnd, msg,
                             wParam, lParam);
    }
}

Концепция диалогов

• Окна верхнего уровня, создаваемыесоздаваемые по бинарному шаблону DLGTEMPLATEEX
• Встроенное создание контролов, единый шрифт, навигация клавишами Tab/стрелками
• Координаты в DLU (Dialog Units):
  • $1 \text{ DLU}_X = \frac{1}{4}$ ширины символа
  • $1 \text{ DLU}_Y = \frac{1}{8}$ высоты символа
• Защита от искажения формы при смене DPI

Шаблон диалога в .rc

IDD_SETTINGS DIALOGEX 0, 0, 240, 100100
STYLE DS_MODALFRAME | DS_CENTER | 
      WS_POPUP | WS_CAPTION | WS_SYSMENU
CAPTION "Параметры соединения"
FONT 9, "Segoe UI", 400, 0, 0x1
BEGIN
    LTEXT      "Хост:", IDC_STATIC, 14, 15, 3030, 8
    EDITTEXT   IDC_EDT_HOST, 5050, 12, 170170, 14
    DEFPUSHBUTTON "OK", IDOK, 120, 7575, 45, 14
END

Запуск DialogBoxParam

• Синхронный блокирующий запуск:

  INT_PTR ret = DialogBoxParam(
      hInstance, 
      MAKEINTRESOURCE(IDD_SETTINGS), 
      hWndParent, SettingsDlgProc, 
      (LPARAM)&config
  );
  

• Передача контекста через lParam
• Не возвращает управление до закрытия диалога

Механика модальности в Windows

• Блокировка родителя:
  EnableWindow(hWndParent, FALSE)
• Создание формы и посылка WM_INITDIALOG
• Запуск локального цикла сообщений ядра
• Завершение диалога:
  • Вызов EndDialog(hDlg, IDOK);
  • Разблокировка: EnableWindow(hWndParent, TRUE);
• Запрещено вызывать DestroyWindow!

Концепция HDC (Device Context)

• Структура ядра, объединяющая устройство вывода и текущее графическое состояние:
  • HPEN — перо (цвет, толщина, стиль)
  • HBRUSH — кисть (цвет и тип заливки)
  • HFONT — шрифт, кегль, вес и наклон
  • HBITMAP — целевой растровый буфер
  • Режим фона (SetBkMode), цвет текста

Получение дескриптора HDC

• Внутри WM_PAINT:
  HDC hdc = BeginPaint(hWnd, &ps);
EndPaint(hWnd, &ps); (валидирует (валидирует область окна)окна)
• Вне WM_PAINT:
  HDC hdc = GetDC(hWnd);
ReleaseDC(hWnd, hdc);
• В оперативной памяти:
  HDC memDC = CreateCompatibleDC(hdc);

Причина мерцания (Flicker)

• Очистка окна фоном (WM_ERASEBKGND) с последующим выводом примитивов
• Человеческий глаз фиксирует промежуточный пустой фон
• Перехват WM_ERASEBKGND с возвратом TRUE подавляет лишнюю очистку

Алгоритм двойной буферизации

-- hdcMem = CreateCompatibleDC(hdc); (контекст памяти)
-(контекст памяти)

• hbm = CreateCompatibleBitmap(hdc, w, h);
  -- SelectObject(hdcMem, hbm); (выбор растра)
  -- Отрисовка всей графической сцены в памятипамяти hdcMem
  -- BitBlt(hdc, 0,0, w,h, hdcMem, 0,0, SRCCOPY); (атомарный перенос)
  -(атомарный перенос)
• DeleteObject(hbm); DeleteDC(hdcMem); (очистка)

Архитектурные принципы

• Оконный класс: регистрация в ядре шаблона свойств и адреса lpfnWndProc
• Фабрика CreateWindowEx: инициализация HWND, посылка WM_CREATE, мост GWLP_USERDATA
• Изоляция ресурсов: размещение UI в .rsrc обеспечивает динамическую локализацию
• Событийный цикл диалогов: модальные крутят локальный цикл, немодальные требуют IsDialogMessage

Конвейер рендеринга

• Паттерн SelectObject: обязательное восстановление старых дескрипторов GDI
• Валидация областей: вызовы BeginPaint/EndPaint очищают регион обновления
• Устранение фликкеринга: замена фона и рисование в закадровый битмап
• Аппаратный композитинг: Direct2D и DWM переносят наложение на шейдеры GPU

Базовые механизмы

1. Какова роль WNDCLASSEXW и почему нельзя создать окно без класса?
2. Какие параметры принимает CreateWindowExW и как передать указатель C++?
3. В чем разница между стилями WS_* и WS_EX_*?
4. Какую роль выполняют win32k.sys и Desktop Window Manager (DWM)?
5. В чем выгода компиляции ресурсов в отдельную секцию .rsrc?

Контролы и рендеринг

6. Как акселераторы транслируются в команду WM_COMMAND?
7. Чем системно различаются модальные и немодальные диалоговые окна?
8. Зачем нужен вызов IsDialogMessage?
9. Почему нельзя удалять объект GDI, пока он выбран в HDC?
10. Как двойная буферизация предотвращает мерцание?