Delphi и Windows API

Одной из наиболее интересных особенностей Delphi является предоставление, наряду с высокоуровневыми функциями VCL, простого доступа к функциям Windows API. Программист в любой момент волен (в зависимости от стоящей перед ним задачи) выбрать для ее решения простые в использовании компоненты либо реализовать алгоритм, требующий компактности и быстродействия при помощи прямых вызовов API. Более того, как правило, можно без прекращения использования компонентов и визуального программирования нанести несколько штрихов при помощи API и добиться максимальной точности решения задачи и быстродействия.

Windows — окна и сообщения

Само название операционной системы Windows говорит о том, что основным ее элементом является окно. Для успешного программирования разработчик должен иметь четкое представление о том, что подразумевается в Windows под этим понятием.

Для начинающих программистов неочевидно, что окнами Windows являются не только главные окна, но и большинство элементов управления в них, таких как поля ввода, списки, кнопки и т.п. Фактически любой элемент интерфейса, способный получать фокус ввода, является окном Windows. Окна могут иметь окно-владельца (Parent window). В этом случае остальные называются дочерними окнами (Child Window) и располагаются на поверхности владельца.

Класс окна

Поведение и внешний вид окна определяются его классом. Класс — это внутренняя структура Windows, описывающая шаблон, на основании которого операционная система создает окна. Перед созданием окна необходимо зарегистрировать его класс при помощи функции:

Рассмотрим ключевые элементы этой структуры подробнее:

Style	Битовая маска, задающая стиль окна. Стиль — это набор флагов, указывающих операционной системе, какие действия надо предпринимать по умолчанию при возникновении тех или иных событий в окне. Стиль класса в основном определяет моменты, связанные с прорисовкой окна
lpfnWndProc	Адрес процедуры — обработчика сообщений. Каждый раз, когда в Windows возникает какое-либо событие, относящееся к окну (например, появилась необходимость в перерисовке или переместился курсор мыши над окном), операционная система формирует сообщение, состоящее из идентификатора и двух целочисленных параметров — wParam и lParam, и вызывает эту функцию. Таким образом, функция обработки сообщений и определяет поведение всех окон, созданных с этим стилем
hIcon	Идентификатор значка. Он будет выводиться в левом верхнем углу окна. Сам значок может быть загружен из ресурса функцией API LoadIcon
lpszMenuName	Имя меню. Это меню должно быть оформлено в виде ресурса. Если имя не задано, окно по умолчанию не будет иметь меню
lpszClassName	Имя класса. В дальнейшем на него можно будет ссылаться при создании новых окон

Как видно из этой структуры, именно на уровне класса окна определяется функция обработки сообщений, которая будет задавать поведение всех окон с этим классом.

Создание окна

После того как класс зарегистрирован, приложение может создавать окна этого класса функцией:

Функция CreateWindowEx позволяет задать конкретный вид окна и уточнить информацию, полученную от класса окна.

Сообщения

Сообщения — это базовый механизм информирования программ о событиях, на которые они должны реагировать. Ядром программы является зарегистрированная в классе окна функция обработки сообщений, вызываемая ядром Windows при появлении событий, на которые программа должна отреагировать. Получение сообщения окном означает вызов его оконной функции с параметрами, описывающими передаваемое сообщение. Например, сразу после своего создания окно получает сообщение WM_CREATE, при нажатии клавиш на клавиатуре — WM_KEYDOWN, WM_KEYUP, при перемещении мыши — WM_MOUSEMOVE и т.п. Без обработки сообщений окно не сможет даже отрисовать себя — рисование выполняется по получении сообщений WM_PAINT, WM_NCPAINT. В программе, написанной с использованием только Windows API, функция обработки сообщений обычно представляет собой оператор case. Альтернативами данного оператора являются различные сообщения, которые эта функция должна обработать.

TWinControl — оболочка окна Windows

Программирование создания окон и цикла обработки сообщений вручную является непростой и довольно низкоуровневой задачей. VCL реализует классы, позволяющие избежать возникающих при этом сложностей.

Базовым классом, инкапсулирующим окно Windows, является TWinControl. Когда создается экземпляр наследника этого класса, VCL автоматически регистрирует соответствующий класс окна Windows и создает окно. Благодаря этому наследники TWinControl могут содержать в себе другие окна и обрабатывать сообщения Windows. Визуальные компоненты, не являющиеся наследниками TWinControl (такие как TLabel, TSpeedButton), не представляют собой окна в понимании Windows. Все их события эмулируются компонентом, в который они помещены.

Свойство Handle

Центральное свойство компонента TWinControl — Handle. Оно представляет собой идентификатор окна Windows, полученного при создании этого компонента. Указанный идентификатор можно использовать с любыми функциями Windows API, работающими с окнами. Например, нижеприведенный код прокручивает текст в TMemo на одну строку вниз:

Метод CreateParams

TWinControl перед созданием окна вызывает виртуальный метод CreateParams, позволяя программисту задать низкоуровневые параметры создаваемого окна. В процедуру передается структура данных:

Наследники TWinControl могут перекрыть CreateParams, создавая окна с требуемыми внешним видом и поведением. Например, необходимо создать форму, не имеющую заголовка, однако позволяющую изменять свои размеры. Delphi не предоставляет возможности задать такое поведение визуальными средствами, однако, перекрыв TForm.CreateParams, мы легко добиваемся нужного эффекта:

В качестве упражнения рекомендуем посмотреть на некоторые фрагменты реализации класса TWinControl, расположенного в модуле Controls.pas. Хорошо видно, что метод CreateWnd сначала вызывает метод CreateParams, заполняющий структуру WndClass с параметрами класса окна и параметры для CreateWindow, а затем регистрирует класс и создает окно. Также очень показателен метод TCustomForm.CreateParams, расположенный в модуле Forms.pas. Можно увидеть, как по свойствам Position, BorderIcons и FormStyle формируется набор флагов стиля окна для функции CreateWindow.

Обработка сообщений

Каждое окно Windows должно обрабатывать сообщения. VCL берет на себя работу по организации цикла сообщений и по их базовой обработке. Для большинства сообщений Windows, которые должны обрабатываться окном, уже предусмотрена обработка по умолчанию. Сообщения, требующие специфической обработки, приводят к вызовам функций —обработчиков событий, например:

WM_MOUSEMOVE	OnMouseMove
WM_LBUTTONDOWN, WM_RBUTTONDOWN	OnMouseDown
WM_LBUTTONUP, WM_RBUTTONUP	OnMouseUp
WM_LBUTTONDBLCLK	OnDblClick
WM_KEYDOWN	OnKeyDown
WM_KEYUP	OnKeyUp
WM_PAINT	OnPaint

Показателен в этом смысле метод WndProc класса TWinControl или его наследников. При этом VCL перед вызовом обработчиков производит «упаковку» параметров сообщений в удобный для обработки и анализа вид. Понимание того, какое сообщение Windows вызывает срабатывание того или иного события VCL, очень помогает при программировании обработчиков и совершенно необходимо при написании собственных компонентов. Разумеется, предусматривать отдельные обработчики для каждого из сотен сообщений, которые могут поступить в окно, — значит неоправданно усложнять код VCL. Поэтому для обработки остальных сообщений синтаксис Object Pascal предусматривает создание процедур — обработчиков сообщений. Такие процедуры объявляются как:

В качестве параметра такая функция получает указатель на структуру TMessage, содержащую информацию о сообщении, переданном окну. Для многих часто используемых сообщений в модуле Messages.pas определены структуры, позволяющие более удобно работать с конкретными сообщениями.

Рассмотрим пример окна, обрабатывающего не предусмотренное VCL сообщение, в качестве которого используем WM_HOTKEY. Это сообщение посылается окну посредством зарегистрированной в Windows горячей клавиши, что позволяет программе реагировать на нее, даже не имея фокуса ввода:

Хочется обратить ваше внимание на вызов унаследованного обработчика в методе WMHotKey. Если вы не уверены, что хотите запретить обработку предком подобного сообщения, — всегда вызывайте унаследованный обработчик. В противном случае вы рискуете помешать VCL обрабатывать сообщения. Например, написав свой обработчик WM_PAINT и не вызвав в нем унаследованный, вы полностью заблокируете перерисовку формы средствами VCL.

Свойства Controls и Parent

Каждый наследник TWinControl может служить контейнером для других компонентов. Для связи между родительским и дочерними компонентами служат свойства Controls и Parent. Каждый визуальный компонент имеет свойство Parent, ссылающееся на оконный компонент, который является его владельцем. До тех пор пока не установлено это свойство, компонент не может обрабатывать сообщения Windows и отображаться на экране. Окно-предок ведет список вставленных в него компонентов, доступ к которому можно получить при помощи его свойства Controls.

TForm — просто окно

Delphi вводит новую для Windows концепцию — форма. Такого понятия нет в Windows, однако оно довольно часто встречается в высокоуровневых средствах разработки. Форма инкапсулирует окно верхнего уровня (top-level window), которое служит контейнером для остальных визуальных элементов программы. С точки зрения Windows — это такое же окно, как и все остальные, только с соответствующим образом подобранным набором стилей. В частности, на этом уровне реализованы поддержка главного меню, управление дочерними окнами (MDI). Как и любое окно, TForm имеет свойство Handle, которое может быть использовано в вызовах Windows API. Например, приведенный ниже код создает форму в виде пятиконечной звезды:

Концепция форм помогает разработчику в управлении окнами верхнего уровня, однако многие ее понятия (например, главное окно приложения, список окон (Screen.Forms)) не имеют прямых аналогов в Windows API.

Графика

Программы Windows не имеют возможности прямого вывода информации на экран. Вместо этого программа, желающая что-либо нарисовать в своем окне, должна вызвать одну из функций Windows API, предназначенных для рисования. Такой подход позволяет Windows обеспечить на одном экране одновременное существование нескольких программ, каждая из которых выводит в своем окне произвольную информацию. Вопросы отсечения информации невидимых участков окон и взаимодействия с конкретным драйвером графического устройства решаются операционной системой.

Графическая подсистема Windows

Базовым понятием графической подсистемы Windows является контекст графического устройства — внутренняя структура, определяющая набор графических объектов, их атрибутов и графических режимов, которые могут повлиять на вывод информации. Контекст может быть связан с различными устройствами, такими как дисплей, принтер, изображение в памяти, что позволяет использовать одни и те же функции для вывода информации на любое из этих устройств. Разумеется, при этом необходимо учитывать такие возможности конкретного устройства, как разрешение или поддерживаемый набор цветов.

Типичный сценарий вывода информации в Windows выглядит следующим образом:

Хорошо видно, что собственно вывод информации занимает далеко не главную позицию в общем объеме кода. Большая часть времени уходит на создание, сохранение и восстановление графических объектов. При этом нередки трудноопределимые ошибки, приводящие к утечке ресурсов из-за неосвобожденных объектов.

Класс TCanvas

VCL предлагает элегантное решение проблемы, описанной в предыдущем разделе, — класс TCanvas, инкапсулирующий контекст графического устройства Windows. Вместе с вспомогательными классами TFont, TBrush и т.д., реализующими графические объекты, этот класс берет на себя всю работу, связанную с получением и освобождением контекстов устройства его атрибутов и графических объектов. Когда вы меняете, например, свойства кисти (Canvas.Brush), TCanvas автоматически создаст новую кисть с нужными атрибутами и включит ее в свой контекст, а старую — корректно удалит. Наряду с этим TCanvas реализует ряд методов, позволяющих рисовать на нем без указания контекста устройства. В итоге программист может вообще не знать принципов работы графической подсистемы Windows, а использовать только методы TCanvas. Все классы VCL, допускающие рисование, имеют свойство Canvas, указывающее на автоматически создаваемый экземпляр TCanvas, связанный с ним.

Использование Windows API с TCanvas

Реализовать в TCanvas все функции рисования Windows нереально, поскольку это приведет к резкому усложнению кода VCL. Однако TCanvas имеет свойство Handle, которое представляет собой идентификатор графического контекста Windows, ассоциированного с экземпляром класса. Используя его, мы можем задействовать все многообразие функций API, предназначенных для рисования. При этом всю работу по установке атрибутов и недопущению утечки ресурсов можно выполнить в реализации класса TCanvas.

Рассмотрим наиболее часто употребляемые функции Windows API, которые можно использовать для рисования.

DrawText

Функция DrawText объявлена как:

Эта функция имеет широкие возможности по форматированию текста, задаваемые параметром uFormat. Данный параметр представляет собой набор битовых флагов, задающих способ выравнивания и дополнительные операции над текстом.

Рассмотрим некоторые из этих флагов:

DT_SINGLELINE	Текст выводится в одну строку, при этом игнорируются символы перевода строки и возврата каретки. С данным флагом могут комбинироваться DT_TOP, DT_BOTTOM и DT_VCENTER, задающие вертикальное выравнивание текста
DT_WORDBREAK	Текст разбивается на строки так, чтобы он поместился по ширине в прямоугольнике lpRect. Символы возврата каретки и перевода строки также приводят к переходу на новую строку
DT_LEFT DT_CENTER DT_RIGHT	Выводимый текст выравнивается по левому краю, по центру или по правому краю
DT_END_ELLIPSIS	Если строка не помещается в lpRect, ее конец заменяется на три точки. Это бывает удобно использовать для вывода полей, имеющих значительную длину
DT_PATH_ELLIPSIS	Используется с путями, содержащими символ ‘\’. Если строка не помещается в lpRect, то часть ее из середины заменяется на три точки

Функция DrawText также может использоваться для расчета высоты или ширины области, занимаемой текстом. Для этого к вышеприведенным флагам форматирования надо добавить флаг DT_CALCRECT. Если выводится одна строка текста, то DrawText изменяет lpRect.Right так, чтобы он вместил всю эту строку. Если выводится несколько строк (DT_WORDBREAK), то lpRect.Bottom изменяется так, чтобы полученный прямоугольник вместил весь текст.

Рассмотрим в качестве примера создание списка, содержащего две колонки. Первая из них содержит номер позиции, вторая — сопроводительный текст, высота которого может изменяться. Для создания такого списка разместим на форме TListBox, установив его свойство Style в lbOwnerDrawVariable. После этого создадим следующие обработчики событий:

DrawEdge

Функция DrawEdge бывает очень полезна при написании собственных компонентов. Она автоматизирует задачу рисования трехмерных кнопок, рамок и т.п. Функция объявлена как:

Рамка рисуется в виде комбинации из двух прямоугольников — внутреннего (inner) и внешнего (outer). Каждый из них может быть выпуклым (raised) либо вдавленным (sunken). Тип рамки определяется параметром edge, который представляет собой битовую маску из следующих значений:

BDR_RAISEDINNER BDR_SUNKENINNER	Задают выпуклый либо вдавленный внутренний контур
BDR_RAISEDOUTER BDR_SUNKENOUTER	Задают выпуклый либо вдавленный внешний контур

Также имеются предопределенные флаги:

EDGE_BUMP — выпуклая рамка;

EDGE_ETCHED — вдавленная рамка;

EDGE_RAISED — выпуклая кнопка;

EDGE_SUNKEN — вдавленная кнопка.

Параметр grfFlags определяет тип бордюра. Это набор следующих флагов:

BF_BOTTOM BF_TOP BF_LEFT BF_RIGHT	Рисуется соответствующая сторона рамки
BF_BOTTOMLEFT BF_BOTTOMRIGHT BF_TOPLEFT BF_TOPRIGHT	Рисуется соответствующий угол
BF_RECT	Рисуется вся рамка
BF_DIAGONAL BF_DIAGONAL_ENDBOTTOMLEFT BF_DIAGONAL_ENDBOTTOMRIGHT BF_DIAGONAL_ENDTOPLEFT BF_DIAGONAL_ENDTOPRIGHT	Рисует бордюр по диагонали. Используется для создания кнопок, разбитых по диагонали на две секции
BF_FLAT BF_SOFT	Позволяют получить плоские кнопки для создания интерфейса в стиле Office 97
BF_MONO	Рисует одномерную рамку
BF_MIDDLE	Заливает внутреннюю область рамки текущей кистью
BF_ADJUST	Корректирует параметр qrc так, что после отрисовки он соответствует внутренней области рамки. Удобно применять для рисования в дальнейшем

Комбинируя флаги в зависимости от текущих свойств компонента, можно достаточно просто организовать отрисовку кнопок, реагирующих на различные действия пользователя. Например:

Резюме

Таким образом, Delphi, позволяя программисту не вдаваться в тонкости реализации Windows API, в то же время не изолирует программиста от него, предоставляя возможность в любой момент взять управление программой в свои руки и добиться от нее именно того поведения, которое необходимо для решения каждой конкретной задачи. Грамотное использование возможностей API позволяет писать более компактные и быстродействующие программы, а зачастую и сократить объем кода, нужного для решения задачи. Для того чтобы иметь такую возможность, программист должен понимать, что означает классы и функции VCL и каким объектам Windows они соответствуют.