Grundlagen der Windows - Programmierung

1. Programmablauf

1.1 Zustandsgesteuerter Ablauf

Herkömmliche Programme arbeiten meist zustandsgesteuert, d.h. die Funktionen werden sequentiell abgearbeitet, daß Programm wechselt aufgrund einer Benutzereingabe in den nachfolgenden Zustand.

Vorteile:

• einfache Programmierung
• für ungeschulte leichter lesbar

Nachteile:

• Programmierer gibt Ablauf fix vor
• für Anwender oft unverständlich und willkürlich
• starr und unfrexibel
• schlecht für nonpreemtives Multitasking geeignet (siehe 2.2)

1.2 Ereignisgesteuerter Ablauf

Ein fortschrittlicherer Programmierstil als der zustandsgesteuerte ist der ereignisgesteuerte. Seit dem Siegeszug von Microsoft Windows (R) werden die meisten Programme ereignisgesteuert programmiert (nicht nur Windows - Software, diese ist nämlich nur ereignisgesteuert realisierbar).
Die Programmreaktion bzw. -funktionen werden vom Benutzer gesteuert, indem er ein Ereignis auslöst.

Vorteile:

• Benutzer 'dirigiert' den Ablauf
• flexibel
• gut für nonpreemtives Multitasking geeignet (siehe 2.2)
• belibige Reihenfolge der Verarbeitungsschritte

Nachteile:

• aufwendige Programmierung
• neigt bei unsauberer Programmierung zum 'Chaos'

2. Multitasking

Als Multitasking wird jener Mechanismus bezeichnet, der es dem Betriebssystem ermöglicht, mehreren Programmen gleichzeitig Ressourcen zur Verfügung zu stellen. Dies kann beispielsweise durch ein Zeitscheibenverfahren realisiert werden, bei dem das Betriebssystem abwechselnd Zeit für die zu bearbeitenden Prozessen zur Verfügung stellt, oder durch echte Parallelität.

2.1 Preemtives Multitasking

Beim preemtiven Multitasking übernimmt das Betriebssystem die Kontrolle über die Programme. Es friert die laufenden Prozesse eín, um auf andere Prozesse umzuschalten. Der laufende Prozess wird nicht beendet, es werden lediglich seine Aktivitäten unterbrochen.

Das Programm selbst muß sich nicht darum kümmern, wann und wo diese Unterbrechungen vorgenommen werden.

Windows NT (R) verwendet preemtives Multitasking

2.2 Nonpreemtives Multitasking

Beim nonpreemptiven Multitasking (auch meldungsgetriebenes Multitasking genannt), daß von Windows 3.x (R) sowie Windows 95 (R) verwendet wird, muß sich der Prozeß selbst darum kümmern, daß andere Prozesse zum Zuge kommen. Deshalb waren unter Windows 3.x nur jene Programme multitaskingfähig, die eigens dafür programmierte Routinen verwendeten. Ein Programm, daß im MS-DOS (R) - Fenster abläuft, wird unter Windows 3.x nicht unterbrochen, stürzt es ab, steht das gesamte System. Anders unter Windows NT (R), hier hat das Betriebssystem jederzeit die Möglichkeit, den Prozess zu unterbrechen, abgestürzte Programme bringen nicht mehr das gesamte System zum Absturz (außer einige Grafikanwendungen aus Kanada, stimmts, Elias? :-)).

Die Anwendung muß die Kontrolle dem Betriebssystem 'zurückgeben', damit dieses auf andere Prozesse umschalten kann. Dies geschieht durch den Aufruf einer passenden Betriebssystem - Funktion. Bei Windows - Programmen wird diese periodische Rückgabe der Steuerung an das Betriebsystem durch eine sogenannte Meldungs-Schleife realisiert.

Programme mit zustandsgesteuertem Ablauf (siehe 1.1) sínd für nonpreemtives Multitasking nur schlecht geeignet, da in bestimmten Zuständen (der genaue zeitpunkt muß oft willkürlich gewählt werden) die Kontrolle an das Betriebssystem zurückggegeben werden muß.

2.3 Programm - Instanzen

Alle Windows - Programme sind mehrfach ausführbar. Wird ein schon aktives Programm ein weiteres Mal gestartet, wird, sofern man dies nicht explizit verhindert, eine weitere Instanz der Applikation geöffnet. Das Proramm läuft dann in zwei unabhängigen Fenstern, eine Instanz weiß von der Existenz der anderen Instanz nichts.

Jede Instanz verfügt über ihren eigenen Daten- (Speicher-) bereich, die Ressourcen werden jedoch nur beim Aufruf der ersten Instanz in den Hautspeicher gelden. Greifen daß Programm auf externe Dateien zu, kann es zu Prolemen kommen.

3. Nachrichten

3.1 Nachrichten (Meldungen, Messages)

Windows arbeitet meldungsbasiert, d.h. alle relevanten Ereignisse (z.B.: Maus-Klick, Tastendruck, Ablauf eines Zeit - Intervalls) erzeugen Meldungen, die danach in sogenannten Nachrichten - Schleifen verarbeitet werden.

Nachrichten - Charakteristik:

• werden in Form einer vorzeichenlosen 16-Bit Ganzzahl gespeichert
• werden durch vordefinierte Konstanten (in WINDOWS.H, ca. 250) dargestellt
• WM_LBUTTONDOWN   Linke Maustaste gedrückt
• WM_CLOSE         Anwendung wird geschlossen
• WM_KEYDOWN       Taste gedrückt
• WM_RESIZE        Fenstergröße wird geändert
• können mittels 'WinSight' protokolliert werden

Jede Meldung liefert zusätzliche Informationen (z.B.: WM_KEYDOWN liefert zusätzlich: welche Taste gedrückt? Welche Zusatztasten (Alt, Strg, ) gedrückt?). Diese Informationen werden in zwei Parametern geliefert, die Bedeutung dieser Parameter ist meldungsabhängig.

• WPARAM Parameter vom Typ WORD
• LPARAM Parameter vom Typ LONG

Windows verwendet 2 verschiedene Übergabe - Mechanismen:

PUSH - Modell:

Übergabe erfolgt bei GetMessage, die Applikation ist aktiv. Die Meldung wird in einer MSG - Struktur übergeben.

PULL - Modell:

Aufruf einer Fensterfunktion durch Windows, die Applikation ist passiv. Die Meldung wird in Form einzelner Parameter übergeben.

3.2 Nachrichten-Konzept von Windows

Die Folgende Grafik zeigt den Meldungsfluß zwischen Windows und den Einzelnen Applikationen.

3.3 WinMain

Die Funktion WinMain entspricht der Funktion main() in einen normalen C-Programm, sie wird von Windows beim Programmstart aufgerufen.

Fix vorgegebener Funktions-Kopf:

int PASCAL WinMain(HINSTANCE hInst, HINSTANCE hPrevInst, LPSTR lpCmd, int nShow);

liefert im Fehlerfall einen Wert ungleich 0

Windows-'Aufruf-Konvention', spart Code (da nur eine fixe Anzahl von Parametern erlaubt werden, der Stack wird abgebaut)

Bezug auf die aktuelle Programm-Instanz (siehe 2.3 Instanzen)

Bezug der vorhergehenden Programm - Instanz

Kommandozeilenparameter (entspricht argv in Standard-C)

Pramater für die Funktion ShowWindow, gibt an, wie das Fenster dargestellt werden soll (Vollbild, Fenster, Symbol)

Die Funktion WinMain erfüllt eine Reihe von wichtigen Routine-Aufgaben:

Registrieren der Hauptfenster-Klasse

Wird das Programm zum ersten Mal aufgerufen, wird eine Fensterklasse erzeugt, dieser Vorgang ist bei weiteen Programminstanzen nicht mehr notwendig. (siehe 2.3 Instanzen)
Im zuge der Registration werden einige Fenster - Eigenschaften festgelegt. Jedes Windows - Fenster muß einer registrierten Klasse angehören, deshalb gibt es einige vorregistrierte Klassen für Standard-Fenster wie etwa MessageBox, Button, ListBox,

Erzeugen des Hauptfensters

Ist eine entsprechende Klasse registriert, wird das Hauptfenster erzeugt. Dieser Vorgang ist bei jeder Programm - Instanz notwendig, er legt die restlichen Fenstereigenschaften fest (z.B.: Fensterstil)

Anzeigen des Hauptfensters

Durch Aufruf der Funktion ShowWindow (die den Parameter nShow übernimmt) und einem anschließendem UpdateWindow wird das Fenster angezeigt.

Initialisieren der Meldungsschleife

Die Funktion GetMessage liefert anliegende Nachrichten aus der Meldungsschleife.

3.4 Die Fensterfunktion

Die Fensterfunktion wird von Windows aufgerufen (PUSH - Modell), sie ist für die Meldungsauswertung zuständig.

Fix vorgegebener Funktions-Kopf:

LONG FAR PASCAL _export WndProc(HWND hWnd, UINT msg, WPARAM wP, LPARAM lP);

HWND hWnd
UINT msg
WPARAM wP
LPARAM lP

Fenster-Bezug
Meldungscode (z.B.: WM_PAINT, WM_CLOSE, )
Zusatz-Parameter vom Typ WORD (16 Bit)
Zusatz-Parameter vom Typ LONG (32 Bit)

Die Fensterfunktion sollte nicht alle Meldungen selbst behandeln, sondern nur einige, wichtige. Andere Meldungsbearbeitungsfunktionen (ein wahres Unwort) können deshalb ausgelagert werden, oder, wenn keine spezielle Behandlung erwünscht ist, an die Default-Fensterfunktion DefWindowProc weitergeleitet werden.

Beispiel für ausgelagerte Meldungsbearbeitung:

3.5 Abhandlung bei 'Anwendung beenden'

Anhand des Beispiels 'Anwendung beenden' soll gezeigt werden, wie das Programm auf die Benutzeraufforderung reagiert, sich zu beenden.

Erläuterung:

1. Der Aufruf des Menüpunktes 'Datei/Beenden' löst ein WM_COMMAND aus, dieses wird zur Bearbeitung an die Funktion WndProcWMCOMMAND übergeben.
2. In der Funktion WndProcWMCOMMAND wird der in wPararm übergebene ID-Wert ausgewertet, bei MENU_ENDE wird mittels PostMessage (siehe 3.6) die Nachricht WM_CLOSE an das Programmfenster geschickt.
3. Das Programmfenster reagiert auf WM_CLOSE mit dem Aufruf der Prozedur WndProcWMCLOSE
4. Die Funktion WndProcWMCLOSE leitet die Meldung nach Rückfrage an den User an die Default-Window-Funktin DefWindowProc weiter, diese löst die Nachricht WM_DESTROY aus.
5. WM_DESTROY wird von der Fensterfunktion mit dem Aufruf von PostQuitMessage beantwortet, die Anwendung wird geschlossen.

3.6 Nachrichten versenden

Jede Windows - Applikation kann Nachrichten an beliebige Fenster verschicken. Man unterscheidet nach dem Verhalten nachdem die Nachricht verschickt wurde, zwei Übermittlungsmethoden:

Synchrone Übertragung:

• mittels SendMessage (hWnd, msg, wParam, lParam);
• Die Applikation, die die Nachricht verschickt hat wartet, bis das Zielfenster die Nachricht bearbeitet hat. Der Rücksprung aus der Funktion SendMessage erfolgt erst nach der Abarbeitung.

Asynchrone Übertragung:

• mittels PostMessage (hWnd, msg, wParam, lParam);
• Der Rücksprung aus der Funktion PostMessage erfolgt sofort, die Applikation läuft weiter. Die Nachricht wird in die Nachrichten - Warteschlange der Zielapplikation gestellt.

4. Ausgabe (GDI, DC)

4.1 GDI - Graphics Device Interface

Das GDI stelt eine Bibliothek von Routinen dar und wird sowohl von Windows selbst als auch von allen Applikationen zur geräteunabhäängigen Grafik- und Textausgabe verwendet. Es bildet die logische Schnittstelle zwischen den Programmen und den Hardware - Treibern der Geräte.

Es werden 4 logische Einheiten unterstützt:

• Bildschirme
• Hardcopy - Geräte
• Bitmaps
• Mata - Dateien

Jedes Fenster entspricht einer eigenen Zeichenoberfläche mit eigenenem Koordinatensystem, automatisches Clipping verhinder versehentliches Überschreiben anderer Fenster

4.2 Einheitenkontext (Device Context)

Der Einheitenkontext oder Device Context (DC) stellt die Verbindung zu einer bestimmten Einheit (Zeichenoberflöche) her. Er sorgt für die Zugriffserlaubnis, bei Hardcopy-Geräten (Drucker, Plotter,) durch 'Spooling', bei Bildschirmen durch 'Clipping'.

Der DC liefert eine Art Werkzeugkasten, in dem logische Werkzeuge enthalten sind. Solche Wekzeuge sind beispielsweise

• Pinsel (Brush, Füllwerkzeug))
• Zeichenstift (Pen)
• Schriften (Fonts)
• etc.

Der DC wird über einen hdc angesprochen, einem Handle, und wird vom Window-Manager 'geliehen'.

prinzipieller Ablauf

nach WM_PAINT

sonst

DC anfordern

BeginPaint

GetDC

Ausgaben durchführen

TextOut

TextOut

DC zurückgeeben

EndPaint

ReleaseDC

Andern der Werkzeuge im DC:

Beispiel: anderer Stift (Pen)

1. Bezug auf logischen Stift besorgen
• entweder vom 'Basisstift' ausgehend mittels GetStockObject
• neuen Stift anwählen mittels CreatePen
2. gewähltern Stift in den DC aufnehmen mittels SelectObject

4.3 'bleibende Ausgaben'

Da aufgrund normaler Benutzeraktivitäten das Programmfenster im Anzeigebereich jederzeit überschrieben werden kann (sei es durch andere Programmfenster, den Bildschirmschoner, ), muß das Programm jederzeit in der Lage sein, sein Fenster neu darzustellen.

Wird ein Fenster ganz oder zumindest teilweise zerstört, sendet Windows die Meldung WM_PAINT an das entsprechende Programmfenster. Durch das Abfangen der Meldung in der Meldungsbehandlungsfunktion WndProc kann auf WM_PAINT reagiert werden, indem das Fenster neu gezeichnet wird. zu diesem Zweck müssen jedoch alle Informationen bekannt sein, die zum Neuzeichnen des Fensters nötig sind.

Beispiel: Anzeigen der aktuellen Mausposition

• Mausklick verursacht WM_LBUTTONDOWN
• in der Funktion, die die Meldung bearbeitet, wird die aktuelle Mauspositon am Bildschirm angezeigt
• sofortige Ausgabe funktioniert zwar, jedoch geht die Ausgabe verloren, wenn das Fenster minimiert wird, da zum Anzeigen ein linker Mausklick nötig ist

Richtige Methode für 'bleibende' Anzeige:

• als Reaktion auf WM_LBUTTONDOWN wird die aktuelle Position des Mauszeigers in einer Variable gespeichert
• Anzeige erfolgt erst bei WM_PAINT
• erzwingen einer neuerlichen Ausgabe bei Mausklick mittels InvalidateRect

InvalidateRect

Diese Funktion 'zerstört' die aktuelle Ausgabe, indem es Windows anweist, das Fenster neu zu zeichen.

Beispiel für Programm mit bleibener Ausgabe

Erklärung:

1. Das Programm gibt einie Bitmap im Fenster aus, es reagiert auf das Ereignis WM_PAINT
2. Ein anderes Fenster (hier NT-Explorer) überschreibt die Ausgabe
3. Die zweite Anwendung wird geschlossen, das Fenster, in der die Bitmap angezeigt wird, bleibt zerstört. Windows sendet WM_PAINT
4. Das Programm reagiert auf die Meldung und gibt die Bitmap neuerlich aus

5. Resourcen

5.1 Resourcen

Resourcen sind read-only Dateien, die hauptsächlich für die Gestaltung der Benutzeroberfläche verwendet werden. Diese Daten werden unabhängig vom Programm erstellt und verwaltet und später zum Objektcode des Programms gelinkt. Eine eventuelle Anderung der resourcen (z.B.: hinzufügen eines Menüpunktes, ) kann daher ohne änderung des eigendlichen Quellcodes geschehen, es werden lediglich die Resourcen - Files geändert.

Arten von Resourcen:

• Menüleisten
• Dialogfenster
• Cursors (Mauszeiger)
• Icons
• Schriftarten
• Accelerators (Hotkeys, Tastaturkürzel; z.B.: [Alt]+[F4] zum Beenden der Applikation

6. Dialoge

6.1 Standard-Dialoge

Standard - Dialoge sind seit Windows 3.1 verfügbar und erleichtern Routineaufgaben wie zum Beispiel das Öffnen von Dateien. Weiters tragen sie zur Verbesserung der Bedienbarkeit von Windows - Programmen bei, da wichtige, oft genutzte Dialoge ein einheitliches Erscheinungsbild haben und somit intuitiv bedienbar sind.

Standard - Dialoge:

• Datei öffnen
• Datei Speichern
• Farbe auswählen
• Schrift wählen
• Text suchen
• Drucken

Natürlich kann mit Hilfe eines Dialog - Editors auch ein benutzerdefinierter Dialog erstellt werden. Dieser kann mit einer Vielfalt von Kontrollelementen bestückt werden, die wichtigsten davon sind:

• Textfelder (zur Texteingabe)
• Buttons (zum Auslösen von Ereignissen)
• Listboxen (Auswahl aus einer Liste)
• Comboboxen (aufklappbare List-Boxen)

6.2 Modaler Dialog

Ein modaler Dialog muß vor dem Weiterarbeiten mit der Applikation geschlossen werden. Das Elternfenster wird vollkommen daktiviert, die Steuerung wird an die Funktion DialogBox übergeben, die eine eigene Meldungsschleife enthält. Die Rückkehr zum Elternfenster erfolgt mit dem Aufruf der Funktion EndDialog

Applikationsmodaler Dialog

Die Applikation, die den Dialog aufgerufen hat, wird deaktiviert, das Wechseln zu anderen Applikationen ist ohne weiters möglich.

Systemmodaler Dialog

Das gesamte System (Windows) ist lahmgelegt, lediglich die Dialogbox bleibt bedienbar. (Verwendug bei Systemfehlern, z.B.: Allgemeine Schutzverletzung)

6.3 Nichtmodaler Dialog

Beim nichtmodalen Dialog kann der User zwischen Dialog und em Rest der Applikation wechseln. Ein nicht-modaler Dialog wird in C mittels der Funktion CreateDialog erstellt, die Kontrolle bleibt jedoch beim Hauptfenster. Da es keine eigene Meldungsschleife gibt, muß die Meldungsschleife in WinMain modifiziert werden.