Delphi_的消息机制浅探.doc

Delphi 的消息机制浅探

savetime2k@ 2004.1.9

我从去年 12 月上旬开始等待李维的《Inside VCL》。我当时的计划是，在这本书的指导下深入学习 Delphi。到了 12 月底，书还没有出来，我不愿再等，开始阅读 VCL 源代码。在读完 TObject、TPersistant 和 TComponent 的代码之后，我发现还是不清楚 Delphi 对象到底是怎样被创建的。于是我查看 Delphi 生成的汇编代码，终于理解了对象创建的整个过程(这里要特别感谢 book523 的帮助)。

此后我就开始学习 Delphi VCL 的消息处理机制。自从我写下《Delphi的对象机制浅探》，至今正好一个星期，我也基本上把 Delphi VCL 的消息处理框架读完了。我的学习方法就是阅读源代码，一开始比较艰苦，后来线索逐渐清晰起来。在此把自己对 Delphi VCL 消息机制的理解记录下来，便于今后的复习，也给初学 Delphi 或没有时间阅读 VCL 源代码的朋友参考(毕竟没有几个程序员像我这样有时间 :)。由于学习时间较短，一定会有错误，请大家指正。

我在分析 VCL 消息机制的过程中，基本上只考查了三个类 TObject、TControl 和 TWinControl。虽然我没有阅读上层类(如 TForm)的代码，但我认为这些都是实现的细节。我相信 VCL 消息系统中最关键的东西都在这三个类中。纲举而目张，掌握基础类的消息处理方法之后再读其他类的消息处理过程就容易得多了。

要想读懂本文，最低配置为：
了解 Win32 消息循环和窗口过程
基本了解 TObject、TControl 和 TWinControl 实现的内容
熟悉 Delphi 对象的重载与多态

推荐配置为：
熟悉 Win32 SDK 编程
熟悉 Delphi 的对象机制
熟悉 Delphi 内嵌汇编语言

推荐阅读：
《Delphi 的原子世界》

《VCL窗口函数注册机制研究手记，兼与MFC比较》

《Delphi的对象机制浅探》

本文排版格式为：
正文由窗口自动换行；所有代码以 80 字符为边界；中英文字符以空格符分隔。

(作者保留对本文的所有权利，未经作者同意请勿在在任何公共媒体转载。)

目 录
===============================================================================
⊙ 一个 GUI Application 的执行过程：消息循环的建立
⊙ TWinControl.Create、注册窗口过程和创建窗口
⊙ 补充知识：TWndMethod 概述
⊙ VCL 的消息处理从 TWinControl.MainWndProc 开始
⊙ TWinControl.WndProc
⊙ TControl.WndProc
⊙ TObject.Dispatch
⊙ TWinControl.DefaultHandler
⊙ TControl.Perform 和 TWinControl.Broadcast
⊙ TWinControl.WMPaint
⊙ 以 TWinControl 为例描述消息传递的路径
===============================================================================

正 文
===============================================================================
⊙ 一个 GUI Application 的执行过程：消息循环的建立
===============================================================================
通常一个 Win32 GUI 应用程序是围绕着消息循环的处理而运行的。在一个标准的 C 语言 Win32 GUI 程序中，主程序段都会出现以下代码：

while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0)) // GetMessage 第二个参数为 NULL，
// 表示接收所有应用程序产生的窗口消息
{
TranslateMessage(&msg); // 转换消息中的字符集
DispatchMessage(&msg); // 把 msg 参数传递给 lpfnWndProc
}

lpfnWndProc 是 Win32 API 定义的回调函数的地址，其原型如下：
int __stdcall WndProc(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam);

Windows 回调函数(callback function) 也通常被称为窗口过程(window procedure)，本文随意使用这两个名称，代表同样的意义。

应用程序使用 GetMessage 不断检查应用程序的消息队列中是否有消息到达。如果发现了消息，则调用 TranslateMessage。TranslateMessage 主要是做字符消息本地化的工作，不是关键的函数。然后调用 DispatchMessage(&msg)。DispatchMessage(&msg) 使用 msg 为参数调用已创建的窗口的回调函数(WndClass.lpfnWndProc)。lpfnWndProc 是由用户设计的消息处理方法。

当 GetMessage 在应用程序的消息队列中发现一条 WM_QUIT 消息时，GetMessage 返回 False，消息循环才告结束，通常应用程序在这时清理资源后也结束运行。

使用最原始的 Win32 API 编写的应用程序的执行过程是很容易理解的，但是用 Delphi VCL 组件封装消息系统，并不是容易的事。首先，Delphi 是一种面向对象的程序设计语言，不但要把 Win32 的消息处理过程封装在对象的各个继承类中，让应用程序的使用者方便地调用，也要让 VCL 组件的开发者有拓展消息处理的空间。其次，Delphi 的对象模型中所有的类方法都是对象相关的(也就是传递了一个隐含的参数 Self)，所以 Delphi 对象的方法不能直接被 Windows 回调。Delphi VCL 必须用其他的方法让 Windows 回调到对象的消息处理函数。

让我们跟踪一个标准的 Delphi Application 的执行过程，查看 Delphi 是如何开始一个消息循环的。

program Project1;
begin
Application.Initialize;
Application.CreateForm(TForm1, Form1);
Application.Run;
end.

在 Project1 的 Application.Initialize 之前，Delphi 编译器会自动插入一行代码：
SysInit._InitExe。_InitExe 主要是初始化 HInstance 和模块信息表等。然后 _InitExe 调用 System._StartExe。System._StartExe 调用 System.InitUnit；System.InitUnit 调用项目中所有被包含单元的 Initialization 段的代码；其中有 Controls.Initialization 段，这个段比较关键。在这段代码中建立了 Mouse、Screen 和 Application 三个关键的全局对象。

Application.Create 调用 Application.CreateHandle。Application.CreateHandle 建立一个窗口，并设置 Application.WndProc 为回调函数(这里使用了 MakeObjectInstance 方法，后面再谈)。Application.WndProc 主要处理一些应用程序级别的消息。

我第一次跟踪应用程序的执行时没有发现 Application 对象的创建过程，原来在 SysInit._InitExe 中被隐含调用了。如果你想跟踪这个过程，不要设置断点，直接按 F7 就发现了。

然后才到了 Project1 的第 1 句： Application.Initialize;
这个函数只有一句代码：

if InitProc <> nil then TProcedure(InitProc);

也就是说如果用户想在应用程序的执行前运行一个特定的过程，可以设置 InitProc 指向该过程。(为什么用户不在 Application.Initialize 之前或在单元的 Initliazation 段中直接运行这个特定的过程呢？一个可能的答案是：如果元件设计者希望在应用程序的代码执行之前执行一个过程，并且这个过程必须在其他单元的 Initialization 执行完成之后执行[比如说 Application 对象必须创建]，则只能使用这个过程指针来实现。)

然后是 Project1 的第 2 句： Application.CreateForm(TForm1, Form1);
这句的主要作用是创建 TForm1 对象，然后把 Application.MainForm 设置为 TForm1。

最后是 Project1 的第 3 句： Application.Run;
TApplication.Run 调用 TApplication.HandleMessage 处理消息。Application.HandleMessage 的代码也只有一行：

if not ProcessMessage(Msg) then Idle(Msg);

TApplication.ProcessMessage 才真正开始建立消息循环。ProcessMessage 使用 PeekMessage API 代替 GetMessage 获取消息队列中的消息。使用 PeekMessage 的好处是 PeekMessage 发现消息队列中没有消息时会立即返回，这样就为 HandleMessage 函数执行 Idle(Msg) 提供了依据。

ProcessMessage 在处理消息循环的时候还特别处理了 HintMsg、MDIMsg、KeyMsg、DlgMsg 等特殊消息，所以在 Delphi 中很少再看到纯 Win32 SDK 编程中的要区分 Dialog Window、MDI Window 的处理，这些都被封装到 TForm 中去了(其实 Win32 SDK 中的 Dialog 也是只是 Microsoft 专门写了一个窗口过程和一组函数方便用户界面的设计，其内部运作过程与一个普通窗口无异)。

function TApplication.ProcessMessage(var Msg: TMsg): Boolean;
var
Handled: Boolean;
begin
Result := False;
if PeekMessage(Msg, 0, 0, 0, PM_REMOVE) then // 从消息队列获取消息
begin
Result := True;
if Msg.Message <> WM_QUIT then
begin
Handled := False; // Handled 表示 Application.OnMessage 是否已经处理过
// 当前消息。
// 如果用户设置了Application.OnMessage 事件句柄，
// 则先调用 Application.OnMessage
if Assigned(FOnMessage) then FOnMessage(Msg, Handled);
if not IsHintMsg(Msg) and not Handled and not IsMDIMsg(Msg) and
not IsKeyMsg(Msg) and not IsDlgMsg(Msg) then
// 思考：not Handled 为什么不放在最前？
begin
TranslateMessage(Msg); // 处理字符转换
DispatchMessage(Msg); // 调用 WndClass.lpfnWndProc
end;
end
else
FTerminate := True; // 收到 WM_QUIT 时应用程序终止
// (这里只是设置一个终止标记)
end;
end;

从上面的代码来看，Delphi 应用程序的消息循环机制与标准 Win32 C 语言应用程序差不多。只是 Delphi 为了方便用户的使用设置了很多扩展空间，其副作用是消息处理会比纯 C Win32 API 调用效率要低一些。

===============================================================================
⊙ TWinControl.Create、注册窗口过程和创建窗口
===============================================================================
上面简单讨论了一个 Application 的建立到形成消息循环的过程，现在的问题是 Delphi 控件是如何封装创建窗口这一过程的。因为只有建立了窗口，消息循环才有意义。

让我们先回顾 Delphi VCL中几个主要类的继承架框：
TObject 所有对象的基类
TPersistent 所有具有流特性对象的基类
TComponent 所有能放在 Delphi Form Designer 上的对象的基类
TControl 所有可视的对象的基类
TWinControl 所有具有窗口句柄的对象基类

Delphi 是从 TWinControl 开始实现窗口相关的元件。所谓窗口，对于程序设计者来说，就是一个窗口句柄 HWND。TWinControl 有一个 FHandle 私有成员代表当前对象的窗口句柄，通过 TWinControl.Handle 属性来访问。

我第一次跟踪 TWinControl.Create 过程时，竟然没有发现 CreateWindow API 被调用，说明 TWinControl 并不是在对象创建时就建立 Windows 窗口。如果用户使用 TWinControl.Create(Application) 以后，立即使用 Handle 访问窗口会出现什么情况呢？

答案在 TWinControl.GetHandle 中，Handle 是一个只读的窗口句柄：

property TWinControl.Handle: HWnd read GetHandle;

TWinControl.GetHandle 代码的内容是：一旦用户要访问 FHandle 成员，TWinControl.HandleNeeded 就会被调用。HandleNeeded 首先判断 TWinControl.FHandle 是否是等于 0 (还记得吗？任何对象调用构造函数以后所有对象成员的内存都被清零)。如果 FHandle 不等于 0，则直接返回 FHandle；如果 FHandle 等于 0，则说明窗口还没有被创建，这时 HandleNeeded 自动调用 TWinControl.CreateHandle 来创建一个 Handle。但 CreateHandle 只是个包装函数，它首先调用 TWinControl.CreateWnd 来创建窗口，然后生成一些维护 VCL Control 运行的参数(我还没细看)。CreateWnd 是一个重要的过程，它先调用 TWinControl.CreateParams 设置创建窗口的参数。(CreateParams 是个虚方法，也就是说程序员可以重载这个函数，定义待建窗口的属性。) CreateWnd 然后调用 TWinControl.CreateWindowHandle。CreateWindowHandle 才是真正调用 CreateWindowEx API 创建窗口的函数。

够麻烦吧，我们可以抱怨 Borland 为什么把事情弄得这么复杂，但最终希望 Borland 这样设计自有它的道理。上面的讨论可以总结为 TWinControl 为了为了减少系统资源的占用尽量推迟建立窗口，只在某个方法需要调用到控件的窗口句柄时才真正创建窗口。这通常发生在窗口需要显示的时候。一个窗口是否需要显示常常发生在对 Parent 属性 (在TControl 中定义) 赋值的时候。设置 Parent 属性时，TControl.SetParent 方法会调用 TWinControl.RemoveControl 和 TWinControl.InsertControl 方法。InsertControl 调用 TWinControl.UpdateControlState。UpdateControlState 检查 TWinControl.Showing 属性来判断是否要调用 TWinControl.UpdateShowing。UpdateShowing 必须要有一个窗口句柄，因此调用 TWinControl.CreateHandle 来创建窗口。

不过上面说的这些，只是繁杂而不艰深，还有很多关键的代码没有谈到呢。

你可能发现有一个关键的东西被遗漏了，对，那就是窗口的回调函数。由于 Delphi 建立一个窗口的回调过程太复杂了(并且是非常精巧的设计)，只好单独拿出来讨论。

cheka 的《VCL窗口函数注册机制研究手记，兼与MFC比较》一文中对 VCL 的窗口回调实现进行了深入的分析，请参考：

我在此简单介绍回调函数在 VCL 中的实现：

TWinControl.Create 的代码中，第一句是 inherited，第二句是

FObjectInstance := Classes.MakeObjectInstance(MainWndProc);

我想这段代码可能吓倒过很多人，如果没有 cheka 的分析，很多人难以理解。但是你不一定真的要阅读 MakeObjectInstance 的实现过程，你只要知道：

MakeObjectInstance 在内存中生成了一小段汇编代码，这段代码的内容就是一个标准的窗口过程。这段汇编代码中同时存储了两个参数，一个是 MainWndProc 的地址，一个是 Self (对象的地址)。这段汇编代码的功能就是使用 Self 参数调用 TWinControl.MainWndProc 函数。

MakeObjectInstance 返回后，这段代码的地址存入了 TWinControl.FObjectInstance 私有成员中。

这样，TWinControl.FObjectInstance 就可以当作标准的窗口过程来用。你可能认为 TWinControl 会直接把 TWinControl.FObjectInstance 注册为窗口类的回调函数(使用 RegisterClass API)，但这样做是不对的。因为一个 FObjectInstance 的汇编代码内置了对象相关的参数(对象的地址 Self)，所以不能用它作为公共的回调函数注册。TWinControl.CreateWnd 调用 CreateParams 获得要注册的窗口类的资料，然后使用 Controls.pas 中的静态函数 InitWndProc 作为窗口回调函数进行窗口类的注册。InitWndProc 的参数符合 Windows 回调函数的标准。InitWndProc 第一次被回调时就把新建窗口(注意不是窗口类)的回调函数替换为对象的 TWinControl.FObjectInstance (这是一种 Windows subclassing 技术)，并且使用 SetProp 把对象的地址保存在新建窗口的属性表中，供 Delphi 的辅助函数读取(比如 Controls.pas 中的 FindControl 函数)。

总之，TWinControl.FObjectInstance 最终是被注册为窗口回调函数了。

这样，如果 TWinControl 对象所创建的窗口收到消息后(形象的说法)，会被 Windows 回调 TWinControl.FObjectInstance，而 FObjectInstance 会呼叫该对象的 TWinControl.MainWndProc 函数。就这样 VCL 完成了对象的消息处理过程与 Windows 要求的回调函数格式差异的转换。注意，在转换过程中，Windows 回调时传递进来的第一个参数 HWND 被抛弃了。因此 Delphi 的组件必须使用 TWinControl.Handle (或 protected 中的 WindowHandle) 来得到这个参数。Windows 回调函数需要传回的返回值也被替换为 TMessage 结构中的最后一个字段 Result。

为了使大家更清楚窗口被回调的过程，我把从 DispatchMessage 开始到 TWinControl.MainWndProc 被调用的汇编代码(你可以把从 FObjectInstance.Code 开始至最后一行的代码看成是一个标准的窗口回调函数)：

DispatchMessage(&Msg) // Application.Run 呼叫 DispatchMessage 通知
// Windows 准备回调

Windows 准备回调 TWinControl.FObjectInstance 前在堆栈中设置参数：
push LPARAM
push WPARAM
push UINT
push HWND
push (eip.Next) ; 把Windows 回调前下一条语句的地址
; 保存在堆栈中
jmp FObjectInstance.Code ; 调用 TWinControl.FObjectInstance

FObjectInstance.Code 只有一句 call 指令:
call ObjectInstance.offset
push eip.Next
jmp InstanceBlock.Code ; 调用 InstanceBlock.Code

InstanceBlock.Code:
pop ecx ; 将 eip.Next 的值存入 ecx, 用于
; 取 @MainWndProc 和 Self
jmp StdWndProc ; 跳转至 StdWndProc

StdWndProc 的汇编代码:
function StdWndProc(Window: HWND; Message, WParam: Longint;
LParam: Longint): Longint; stdcall; assembler;
asm
push ebp
mov ebp, esp
XOR EAX,EAX
xor eax, eax
PUSH EAX
push eax ; 设置 Message.Result := 0
PUSH LParam ; 为什么 Borland 不从上面的堆栈中直接
push dword ptr [ebp+$14] ; 获取这些参数而要重新 push 一遍？
PUSH WParam ; 因为 TMessage 的 Result 是
push dword ptr [ebp+$10] ; 记录的最后一个字段，而回调函数的 HWND
PUSH Message ; 是第一个参数，没有办法兼容。
push dword ptr [ebp+$0c]
MOV EDX,ESP
mov edx, esp ; 设置 Message 在堆栈中的地址为
; MainWndProc 的参数
MOV EAX,[ECX].Longint[4]
mov eax, [ecx+$04] ; 设置 Self 为 MainWndProc 的隐含参数
CALL [ECX].Pointer
call dword ptr [ecx] : 呼叫 TWinControl.MainWndProc(Self,
; @Message)
ADD ESP,12
add esp, $0c
POP EAX
pop eax
end;
pop ebp
ret $0010
mov eax, eax

看不懂上面的汇编代码，不影响对下文讨论的理解。

===============================================================================
⊙ 补充知识：TWndMethod 概述
===============================================================================
写这段基础知识是因为我在阅读 MakeObjectInstance(MainWndProc) 这句时不知道究竟传递了什么东西给 MakeObjectInstance。弄清楚了 TWndMethod 类型的含义还可以理解后面 VCL 消息系统中的一个小技巧。

TWndMethod = procedure(var Message: TMessage) of object;

这句类型声明的意思是：TWndMethod 是一种过程类型，它指向一个接收 TMessage 类型参数的过程，但它不是一般的静态过程，它是对象相关(object related)的。TWndMethod 在内存中存储为一个指向过程的指针和一个对象的指针，所以占用8个字节。TWndMethod类型的变量必须使用已实例化的对象来赋值。举个例子：
var
SomeMethod: TWndMethod;
begin
SomeMethod := Form1.MainWndProc; // 正确。这时 SomeMethod 包含 MainWndProc
// 和 Form1 的指针，可以用 SomeMethod(Msg)
// 来执行。
SomeMethod := TForm.MainWndProc; // 错误！不能用类引用。
end;

如果把 TWndMethod变量赋值给虚方法会怎样？举例：
var
SomeMethod: TWndMethod;
begin
SomeMethod := Form1.WndProc; // TForm.WndProc 是虚方法
end;

这时，编译器实现为 SomeMethod 指向 Form1 对象虚方法表中的 WndProc 过程的地址和 Form1 对象的地址。也就是说编译器正确地处理了虚方法的赋值。调用 SomeMethod(Message) 就等于调用 Form1.WndProc(Message)。

在可能被赋值的情况下，对象方法最好不要设计为有返回值的函数(function)，而要设计为过程(procedure)。原因很简单，把一个有返回值的对象方法赋值给 TWndMethod 变量，会造成编译时的二义性。

===============================================================================
⊙ VCL 的消息处理从 TWinControl.MainWndProc 开始
===============================================================================
通过对 Application.Run、TWinControl.Create、TWinControl.Handle 和 TWinControl.CreateWnd 的讨论，我们现在可以把焦点转向 VCL 内部的消息处理过程。VCL 控件的消息源头就是 TWinControl.MainWndProc 函数。(如果不能理解这一点，请重新阅读上面的讨论。)

让我们先看一下 MainWndProc 函数的代码(异常处理的语句被我删除)：

procedure TWinControl.MainWndProc(var Message: TMessage);
begin
WindowProc(Message);
end;

TWinControl.MainWndProc 以引用(也就是隐含传地址)的方式接受一个 TMessage 类型的参数，TMessage 的定义如下(其中的WParam、LParam、Result 各有 HiWord 和 LoWord 的联合字段，被我删除了，免得代码太长)：

TMessage = packed record
Msg: Cardinal;
WParam: Longint;
LParam: Longint;
Result: Longint);
end;

TMessage 中并没有窗口句柄，因为这个句柄已经在窗口创建之后保存在 TWinControl.Handle 之中。TMessage.Msg 是消息的 ID 号，这个消息可以是 Windows 标准消息、用户定义的消息或 VCL 定义的 Control 消息等。WParam 和 LParam 与标准 Windows 回调函数中 wParam 和 lParam 的意义相同，Result 相当于标准 Windows 回调函数的返回值。

注意 MainWndProc 不是虚函数，所以它不能被 TWinControl 的继承类重载。(思考：为什么 Borland 不将 MainWndProc 设计为虚函数呢？)

MainWndProc 中建立两层异常处理，用于释放消息处理过程中发生异常时的资源泄漏，并调用默认的异常处理过程。被异常处理包围着的是 WindowProc(Message)。WindowProc 是 TControl(而不是 TWinControl) 的一个属性(property)：

property WindowProc: TWndMethod read FWindowProc write FWindowProc;

WindowProc 的类型是 TWndMethod，所以它是一个对象相关的消息处理函数指针(请参考前面 TWndMethod 的介绍)。在 TControl.Create 中 FWindowProc 被赋值为 WndProc。

WndProc 是 TControl 的一个函数，参数与 TWinControl.MainWndProc 相同：

procedure TControl.WndProc(var Message: TMessage); virtual;

原来 MainWndProc 只是个代理函数，最终处理消息的是 TControl.WndProc 函数。

那么 Borland 为什么要用一个 FWindowProc 来存储这个 WndProc 函数，而不直接调用 WndProc 呢？我猜想可能是基于效率的考虑。还记得上面 TWndMethod 的讨论吗？一个 TWn