Windows 环境下的程序设计

Windows环境下的程序设计 Instructor: Hengming Zou, Ph.D. In Pursuit of Absolute Simplicity求于至简，归于永恒

Windows环境下的程序设计 • 1. Windows 应用程序设计模式 • 2. 结构化异常处理 • 3. 动态链接库 • 4. Windows驱动程序模型 • 5. WDM驱动程序编程实例 • 6. 开发WDM驱动程序的一般方法

Windows 应用程序设计模式 • Windows 应用程序是特意为在Windows 环境中运行而编写的应用程序 • 以窗口为核心的用户界面、以事件驱动为动力的程序运行机制、以及将程序代码与用户界面分开处理的程序开发手段，构成了Windows应用程序特有的设计模式

Win32 API • Windows 应用程序总是在常规的用户态下运行 • 操作系统核心组件则对外界表现出中立的性质，它们不实现用户界面，甚至不提供编程接口，系统服务调用对应用程序而言是不公开的 • Windows操作系统依靠一组用户态环境子系统，作为应用程序与操作系统核心之间的接口

Win32 API • Win32子系统是Windows 操作系统的固有的子系统，这个子系统能够提供应用程序运行所需要的窗口管理、图形设备接口、媒体控制、内存管理等各项服务功能，这些功能以函数库的形式组织在一起，这就是Win32应用程序编程接口，简称为Win32 API • Win32子系统负责将API调用转换成Windows操作系统的系统服务调用

Win32 API Windows应用程序 Windows应用程序 Win32 子系统用户态子系统核心态系统服务硬件层 Windows 应用程序与操作系统的关系

Win32 API • USER32.DLL：负责处理用户接口 • GDI32.DLL：负责在图形设备上执行绘图操作 • KERNEL32.DLL：操作系统核心功能服务 • COMCTL32.DLL：通用控件库 • COMDLG32.DLL：公共对话框 • SHELL32.DLL：用户界面外壳 • DIBENG.DLL：图形引擎 • NETAPI32.DLL：网络

Win32 API • 标准Win32 API函数分类： • 系统服务 • 通用控件库 • 图形设备接口 • 网络服务 • 用户接口 • 系统Shell • Windows 系统信息

Windows应用程序设计模式 • 窗口 • 目的是保证用户能够同时访问大多数应用程序 • 应用程序使用窗口来显示输出或接收用户的输入 • 应用程序只有通过窗口才能访问系统显示器；并且通过使用窗口与其他应用程序共享系统显示器

Windows应用程序设计模式 • 事件驱动 • Windows 应用程序的执行顺序取决于事件发生的顺序，描述事件发生的信息称为消息，而事件驱动程序设计则是围绕着消息的产生与处理而展开的 • 消息可以分为由硬件设备产生的输入消息和来自Windows系统的窗口管理消息 • 发送消息——send • 指派消息——post

Windows应用程序设计模式 1 应用程序 Windows WinMain 函数系统消息队列硬件输入消息循环应用程序队列1 窗口函数1 窗口函数m 事件驱动 n 应用程序 WinMain 函数消息循环应用程序队列 n 窗口函数1 窗口函数m

Windows应用程序设计模式 • Windows应用程序的开发流程 • Windows 应用程序分为程序代码和用户界面资源两部分，两部分通过资源编译器组合为一个完整的EXE文件 • 将用户界面资源一类的静态数据与程序代码相分离有如下一些优点: • 减少内存要求； • 划清了程序员与用户界面设计人员的任务分工 • 用户界面风格的变化可以不必修改程序代码或只需进行少量的修改

对话框编辑器 字体编辑器 C编译器 Windows应用程序设计模式 • Windows应用程序的开发流程图象编辑器 .DLG . . BMP . ICO . CUR . FON .C .H .RC . 资源编译器 .RES .DEF .OBJ 工具文本文件 .EXE . LIB 链接器二进制文件

Windows应用程序的基本结构 • Windows应用程序具有相对固定的基本结构，入口点函数WinMain和窗口函数构成了Windows应用程序的基本框架

Windows应用程序的基本结构 • WinMain函数 • 是程序的入口点，相当于标准C语言中的main函数 • WinMain函数主要由四部分组成： • 注册窗口类 • 创建窗口 • 显示窗口 • 建立消息循环

Windows应用程序的基本结构 • WinMain函数消息循环 • Windows并不直接把输入消息发送给应用程序，而是将其送入应用程序的消息队列之中。此外，Windows和其他应用程序也可以将消息指派到应用程序队列中 • 应用程序必须读取应用程序队列，检索消息并将它们发送出去，以便适当的窗口函数能够处理它们，负责这一任务的便是消息循环

Windows应用程序的基本结构 • WinMain函数消息循环 • while(GetMessage(&Msg, NULL, 0,0)) • { • TranslateMessage(&Msg); • DispatchMessage(&Msg); • } • GetMessage函数检索到WM_QUIT消息时返回非零值，检索到其他消息均返回

Windows应用程序的基本结构 • 窗口函数 • 窗口函数也称为窗口过程，负责从Windows接收消息，并根据这些消息完成特定的操作 • 窗口函数是一个回调函数，由Windows系统调用，应用程序并不会直接调用它的窗口函数 • 窗口函数的主体是由一系列case语句组成的消息处理程序段 • 如果窗口函数不处理某些消息，则必须把它们传给DefWindowProc函数

Windows系统 指派的消息发送的消息 WM_KEYDOWN WM_CREATE WM_KEYUP WM_DESTROY WM_MOUSEMOVE WM_SIZE WM_LBUTTONDOWN WM_PAINT WM_QUIT … ... … ... ① DefWindowProc ( ) 应用程序的消息队列检索到的消息 Windows 应用程序的消息处理过程 ③ ⑤ GetMessage ( ) ② 应用程序 WinMain ( ) DispatchMessage ( ) 消息循环 ④ 回调 WndProc ( ) case 1 case 2 case 3 … ⑥ Default

Windows应用程序的基本结构 • 当用户关闭窗口时，Windows系统将把WM_DESTROY消息发送给该窗口的窗口函数，在这种情况下，窗口函数应该使用PostQuitMessage函数将WM_QUIT消息发送到应用程序队列中，这样可以使GetMessage函数检索到WM_QUIT消息，从而结束消息循环，退出应用程序

Windows系统 WM_QUIT 消息 ③ PostQuitMessage (0) 应用程序的 WM_DESTROY 消息消息队列 ① WM_DESTROY 消息的处理过程 WM_QUIT 消息 GetMessage ( ) ⑤ ④ WinMain ( ) 应用程序消息 ⑥ 循环退出消息循环结束应用程序 WndProc ( ) case 1 case 2 ... ② case WM_DESTROY Default

结构化异常处理 • Windows在系统底层提供了一种称为结构化异常处理SEH的系统机制。利用SEH可以把程序主要的工作同错误处理分离开来，这样的分离，可以使程序员集中精力关注程序要完成的任务，而将可能发生的错误放在后面处理 • 异常是在应用程序的正常执行过程中发生的不正常事件。CPU引发的异常称为硬件异常，操作系统和应用程序直接引发的异常，称为软件异常

结构化异常处理 • SHE是操作系统的一种系统机制，与特定的程序设计语言无关 • 应用程序要利用系统提供的SHE机制，则必须借助于特定程序设计语言的相关语法 • 因此，SEH不但涉及操作系统，而且与编译器有密切的关系 • 结构化异常处理包括异常处理和终止处理两个方面

结构化异常处理 • 异常处理 • __try • { • ... //guarded section • } • __except(exception filter) • { • ... //exception handler • }

结构化异常处理 • 异常处理 • 异常过滤器返回如下三个异常标识符之一 • ECXEPTION_EXECUTE_HANDLER • ECXEPTION_CONTINUE_EXECUTION • ECXEPTION_CONTINUE_SEARCH

结构化异常处理 • 终止处理 • Windows应用程序在运行时通常要分配资源，使用这些资源，然后释放它们 • 由于异常改变了控制的流程，因此很容易导致无法释放在产生异常的代码块中分配的资源 • 使用终止处理程序可以保证进行这样的清除工作

结构化异常处理 • 终止处理 • __try • { • ... • } • __finally • { • ... • }

结构化异常处理 • 终止处理 • 有两种情况可能使受保护段不正常地结束 • 在try块中执行了return、goto、break或continue等控制语句 • 在try块中发生异常

结构化异常处理 • 软件异常 • 当一个函数执行失败时，习惯上要返回一些特殊的值来，函数的调用者可以检查这些特殊值并采取一种替代的动作 • 如果这个调用者是被另一个调用者调用的函数，那么它还需要将它自己的失败代码返回给它的调用者 • 这种错误代码的逐层传递会使源程序变得非常难于编写和维护 • 采用软件异常则可以解决这些问题

动态链接库 • 动态链接库DLL是一个可执行程序模块，模块中包含了可以被其他应用程序或其他DLL共享的程序代码和资源

动态链接库 • 采用DLL的优点： • 当多个进程同时使用同一个DLL时，只要在内存中装入它的一个副本即可，从而可以节省内存； • DLL与调用它的应用程序相分离，因此可以在不修改应用程序的情况下对DLL进行更新； • 只要在调用DLL中的函数时遵循相同的调用规范，那么DLL中的函数就可以被各种编程语言编制的应用程序调用

动态链接库 • DLL到进程地址空间的映射 • 装入时刻动态链接 DLL 引入库，包含函数的重定位信息 . obj 经过编译的文件链接器动态链接库可执行程序重定位信息内存 DLL 调用中的函数

动态链接库 • DLL到进程地址空间的映射 • 运行时刻动态链接 • 在运行时刻，通过调用LoadLibrary可以使DLL加载到一个进程的地址空间中 • 为了在运行时刻从DLL中调用一个函数，可以通过调用GetProcAddress获取函数的地址

2 GB 2 GB 虚拟地址空间物理内存 DLL 代码 DLL 数据（共享） DLL 数据 1 （私用进程） DLL 数据 1 （私用进程） 0 0 1 进程 2 进程动态链接库 • DLL到进程地址空间的映射

动态链接库 • DLL的入口点函数 • DLL没有WinMain函数，不含有消息循环，一般也不获取自己的消息，但是它有自己特殊的入口点函数，入口点函数的缺省名为DllMain • 当进程和线程被初始化或终止时，DllMain函数被Windows系统调用 • DllMain要做的主要任务是执行进程级或线程级的初始化和清理工作 • 如果不要求DLL初始化，DllMain可以只是一个虚设函数

动态链接库 • DLL的创建和使用 • 创建DLL文件需要用到源文件（.C）和头文件（.H）。DLL源文件通常包括入口点函数和供应用程序调用的DLL库函数。头文件中含有DLL要导出的所有函数与变量的说明 • 在应用程序中调用DLL中的函数或访问DLL中的变量时，须告诉编译器要调用的函数或要访问的变量是在DLL中： • __declspec(dllimport) • int Sub(int nPara1, int Para2);

习题 • Win32子系统与Win32 API的关系是什么？ • 什么是事件驱动？Windows应用程序为什么采用事件驱动的程序设计方法，而不是象传统DOS应用程序那样采用过程驱动的程序设计方法？ • 与静态链接相比，动态链接有哪些优点？有哪些缺点？

Windows驱动程序模型 • WDM以Windows NT 4.0的内部结构为基础，同时引入了 Windows 9x的即插即用特性，为存在于Windows 98和Windows 2000/XP/2003操作系统中的设备驱动程序提供了一个统一的参考框架 • WDM驱动程序还可以在不修改源代码的情况下经过重新编译后在非Intel平台上运行，因此WDM是一个跨平台的驱动程序模型

IRP 上层过滤器驱动程序 FiDO FDO 功能驱动程序 FiDO 下层过滤器驱动程序 PDO 总线驱动程序设备和驱动程序的分层 • WDM是一个分层化的驱动程序模型，在这个模型中，驱动程序的层或堆栈一起工作处理I/O请求

设备和驱动程序的分层 • 总线驱动程序 • 总线驱动程序负责枚举连接在该总线上的所有设备并进行必要处理 • Microsoft为大多数总线如PCI、PnPISA、SCSI以及USB等提供了驱动程序 • 机器中每种类型的总线都有相应的总线驱动程序 • 总线枚举时驱动程序识别其上的设备并为其创建一个物理设备对象

设备和驱动程序的分层 • 功能驱动程序 • 功能驱动程序是一个设备的主要驱动程序，它知道如何控制设备的主要功能 • 功能驱动程序为它的设备提供操作接口，处理对设备的读/写，并管理设备的电源策略 • 功能驱动程序创建一个功能设备对象FDO放在设备栈中

设备和驱动程序的分层 • 过滤器驱动程序 • 过滤器驱动程序过滤对每个设备、每一类设备或一条总线的I/O请求 • 过滤器驱动程序是可选择的

IRP的处理 • IRP是驱动程序操作的中心。I/O管理器接收一个I/O请求之后，在把它传递到合适的驱动程序堆栈中的最高层驱动程序之前，分配并初始化一个IRP • 当一个IRP由多个驱动程序处理时，使用多个I/O堆栈单元。每个驱动程序从当前I/O堆栈单元得到它的IRP参数。如果把一个IRP沿当前设备的驱动程序堆栈向下传递，必须使用正确的常数设置下一个堆栈单元

IRP I/O 驱动程序堆栈单元 1 1 最高 I/O 驱动程序堆栈单元 2 2 I/O 驱动程序堆栈单元 3 3 I/O 驱动程序堆栈单元 4 4 最低 IRP的处理

用户程序对设备的访问过程 • Windows中对设备的访问分为用户态和核心态两种方式： • 用户态通过调用Win32 API函数如ReadFile、WriteFile等访问设备，它不能直接控制硬件 • 核心态通过发送I/O请求包IRP来运行驱动程序实现对设备的控制

应用程序 Win32子系统用户态 I/O系统服务核心态 IRP 高层驱动程序 I/O管理器中层驱动程序低层驱动程序 HAL 用户程序对设备的访问过程

WDM驱动程序的结构 I/O 控制例程基本驱动程序例程分发例程 DispatchPnp DriverEntry StartIo DispatchPower AddDevice AdapterControl DispatchWmi OnInterrupt DispatchRead DpcForIsr DispatchWrite 必须的驱动程序例程 StarIo 处理请求队列需要包含 DPC 如果设备产生中断需要包含中断和例程 DMA AdapterControl 操作需要包含例程 IRP 可选的分发例程

WDM驱动程序的结构 • 初始化例程，当I/O管理器把驱动程序加载到操作系统中时，它执行驱动程序的初始化例程 • 添加设备例程，用于支持PnP管理器的操作 • 一系列分发(调度) 例程，调度例程是设备驱动程序提供的主要函数 • 启动I/O例程，驱动程序可以使用启动I/O例程来初始化与设备之间的数据传输

WDM驱动程序的结构 • 中断服务例程（ISR），当一个设备中断时，内核的中断调度程序把控制转交给这个例程。ISR运行在高级的设备中断请求级（IRQL）上，越简单越好，以避免对低优先级中断产生不希望的阻塞 • 中断服务DPC例程，DPC例程执行在ISR执行以后的大部分设备中断处理工作。DPC例程在低于ISR的IRQ的时候执行，从而避免对其他中断产生不希望的阻塞。DPC例程初始化I/O完成并启动关于设备的下一个队列的I/O操作

WDM驱动程序编程实例 • WdmDriver是一个WDM驱动程序，它实现了一个4字节的核心态内存缓冲区，Win32 应用程序可以对该缓冲区进行读写操作 • 由于采用WDM模型，WdmDriver 可以运行在Windows 98 和Windows 2000/XP/2003两个平台上

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