第5章 图形设备接口与图形绘制

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Windows图形设备接口GDI（Graphics Device Interface），它的主要任务是负责系统与绘图程序之间的信息交换，处理所有Windows程序的图形输出。本章节讨论设备环境和基本的GDI函数。了解这些知识，对于Windows编程来说是非常重要的。

5.1 图形设备接口

GDI是Windows系统的重要组成部分，负责系统与用户之间以更直观的方式进行交互――图形方式交互。控制在输出设备上显示图形或文字。GDI的出现使程序员无需要关心硬件设备及设备驱动，就可以将应用程序的输出转化为硬件设备上的输出，实现了程序开发者与硬件设备的隔离，大大方便了开发工作。GDI具有如下特点：

（1）不需要程序直接访问物理显示硬件，通过称为“设备环境”的抽象接口，间接访问显示硬件；

（2）程序需要与显示硬件（显示器、打印机等）进行通讯时，必须首先获得与特定窗口相关联的设备环境；

（3）用户无需关心具体的物理设备类型；

（4）Windows参考设备环境的数据结构完成数据的输出。

5.1.1    设备描述表

设备描述表是它与显示设备具有一定的对应关系，在Windows GDI界面下，它总是与某个窗口或这窗口上的某个显示区域相关。通常意义上窗口的设备描述表，一般指的是窗口的客户区，不包括标题栏、菜单栏所占用的区域，而对于整个窗口来说，其设备描述表严格意义上来讲应该称为窗口设备描述表，它包含窗口的全部显示区域。二者的操作方法完全一致，所不同的仅仅是可操作的范围不同而已。目前设备描述表有四种类型，它们分别是：

显示类型，主要支持画图操作以及视频显示等；

打印类型，支持打印机、绘图仪等输入出设备的绘图操作；

存储类型，主要支持绘制位图操作；

消息类型，主要支持设备数据的恢复。

设备描述表所描述图形对象及其属性如表5.1所示。

• 表5.1 设备描述对象

设备环境代表屏幕上的一块区域，要想某个区域绘制图形或输出文字，就必须先获得此区域的设备环境句柄（HDC）。HDC是Windows提供的描述设备环境句柄的数据类型，它代表了程序当前的显示设备。在绘图时，必须要指定一个设备环境（DC），用来将某个窗口或设备与设备环境类的句柄指针关联起来，所有的绘图操作都与该句柄有关。HDC的获得要在WM_PATIN消息中，通过BeginPaint函数来获得，通过EndPaint函数来释放。因为所有的绘图、文字输出等，都需要这个HDC，所以今后这类的代码，通常会写在BeginPaint函数与EndPaint函数之间。

5.1.2    系统刷新请求

在Windows系统中，WM_PAINT消息非常重要，当窗口的部分区域或全部，变为无效，需要更新窗口时，系统将执行此消息。窗口之所以无效，是因为在最初创建窗口时，整个窗口区域都是处于无效状态，当在创建窗口时，使用的UpdateWindow函数时（创建窗口的第四步），它会执行第一个WM_PAINT消息，执行结果后，它需要将显示的内容在窗口区域显示，此时不允许再进行更改，所以窗口区域无效。如果想再次更改窗口区域显示的内容（即重新响应WM_PAINT消息），只有如下几种请求能办到：

（1）窗口发生变化，窗口的尺寸发生变化、客户区域移动/显示或程序通过滚动条滚动窗口等；

（2）窗口覆盖，窗口被其他窗口覆盖、窗口切换焦点或有菜单操作等；

（3）使用系统API，使用系统屏幕刷新函数，如，InvalidateRect和InvalidateRgn等。

在Windows窗口刷新时，内存中存放着一个显示输出的副本，当需要重新绘制窗口时，将内存中的副本，复制到相应的窗口中去。在应用程序中，通常将图形绘制（包括文本输出）处理，放在WM_PAINT消息响应模块中去（即在过程处理函数中的，消息响应的位置），当程序接收到刷新请求后，即可重新绘制图形。

5.1.3    获取设备环境

在WM_PAINT消息处理过程中，通常是从BeginPaint函数调用开始，而以一个EndPaint函数调用结束，【例5-1】是文本绘制的示例，说明了这一点。

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
  char szBuff[64] = { "文本绘制" };	// 显示的文本内容
  PAINTSTRUCT ps;				// 记录一些绘制信息
  HDC hdc;				// 设备环境句柄

  // 消息处理
  switch (message) 
  {
    // 绘制消息处理
  case WM_PAINT:
    hdc = BeginPaint(hWnd, &ps);

    RECT rt;
    GetClientRect(hWnd, &rt);
    DrawText(hdc, szBuff, strlen(szBuff), &rt, DT_CENTER);

    EndPaint(hWnd, &ps);
    break;

    // 窗口销毁消息，关闭窗口时响应。
  case WM_DESTROY:
    PostQuitMessage(0);
    break;

  default:
    // 调用系统默认消息处理，即交给系统处理。
    return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
  }//end switch

  return 0;
}

程序运行结果如图5.1所示。

 图5.1 文本绘制

BeginPaint与EndPaint函数，第一个参数都是程序的窗口句柄，第二个参数是指向PAINTSTRUCT的结构指针。PAINTSTRUCT结构中包含一些窗口消息处理程序，可以用来更新显示区域的内容，结构体原型如下：

typedef struct tagPAINTSTRUCT { // ps 
    HDC  hdc; 
    BOOL fErase; 
    RECT rcPaint; 
    BOOL fRestore; 
    BOOL fIncUpdate; 
    BYTE rgbReserved[32]; 
} PAINTSTRUCT;

PAINTSTRUCT 结构体包含了用于绘制窗口客户区域的信息。例如，要更新的客户区的矩形区域的大小等等，其各参数说明如下：

参数hdc，设备环境句柄；

参数fErase，一般取值为真，表示擦除无效矩形区域的背景，否则不擦除；

参数rcPaint，无效矩形区域标识。通过制定左上角和右下角的坐标确定一个要绘制的矩形范围，该矩形单位相对于客户区左上角；

参数fRestore，系统预留，一般用不到；

参数fIncUpdate，系统预留，一般用不到；

参数rgbReserved，系统预留，一般用不到。

GetClientRect 函数的功能是获取窗口客户区的坐标。客户区坐标指定客户区的左上角和右下角。由于客户区坐标是相对窗口客户区的左上角而言的，因此左上角坐标为（0，0）。第一个参数是程序窗口的句柄。第二个参数是一个指针，指向一个RECT类型。

RECT是个特别的数据结构，它的作用就是定义一个矩形区域对象，用来存储一个矩形框的左上角坐标、宽度和高度。其函数原型如下：

typedef struct _RECT { 
    LONG left; 
    LONG top; 
    LONG right; 
    LONG bottom; 
} RECT;

参数left，指定矩形框左上角的x坐标。

参数top，指定矩形框左上角的y坐标。

参数right，指定矩形框右下角的x坐标。

参数bottom，指定矩形框右下角的y坐标。

如果根据left、top、right及bottom四个值根据坐标位置难记忆的话，可以根据如图5.2所示进行记忆，这样更直接一些。

 图5.2 RECT参数记忆

DrawText函数，在指定的矩形里写入格式化的正文，根据指定的方法对正文格式化（扩展的制表符，字符对齐、换行等）。其函数原型如下：

int DrawText(
  HDC hDC,            // handle to device context
  LPCTSTR lpString,   // pointer to string to draw
  int nCount,         // string length, in characters
  LPRECT lpRect,      // pointer to struct with formatting dimensions
  UINT uFormat        // text-drawing flags
);

参数hDC，设备环境句柄。

参数lpString，指向将被写入的字符串的指针，如果参数nCount是-1，则字符串必须是以“\0”结束的。 如果uFormat包含DT_MODIFYSTRING，则函数可为此字符串增加4个字符，存放字符串的缓冲区必须足够大，能容纳附加的字符。

参数nCount，指向字符串中的字符数。如果nCount为-1，则lpString指向的字符串被认为是以“\0”结束的，DrawText会自动计算字符数。

参数lpRect，指向结构RECT的指针，其中包含文本将被置于其中的矩形的信息，所有绘制操作，包括图形，都是以矩形区域作为绘画的基准。

参数uFormat，指定格式化文本的方法。它可以下列值的任意组合，各值描述如表5.2所示。

• 表5.2 设备描述对象

最后，再重新整理一下程序的执行过程。首先，捕获WM_PAINT消息，在WM_PAINT消息中，使用BeginPaint函数来获得HDC（设备环境句柄）；其次，通过GetClientRect函数获得当前客户区域的尺寸；再次，使用DrawText函数将文字绘制到屏幕上；最后，使用EndPaint函数来结束绘制过程。

5.1.4    其他绘制方法

在前几节已经提及到，通常图形绘制、文字输出，都属于WM_PAINT消息处理范围之内的。而在实际应用中，如果不是在WM_PAINT消息，可以使用GetDC函数来获取窗口客户区域的设备环境句柄，从而实现图形、文字的绘制操作。操作方法如下：

hdc = GetDC(hWnd);

// 图形或文字绘制
// ...

ReleaseDC(hWnd, hdc);

首先要通过GetDC函数来获得客户区的设备环境句柄，句柄得到后就可以随意绘制，绘制完成后，需要使用ReleaseDC函数，将GetDC获得到的句柄释放。虽然图形、文字的绘制，可以不必居于WM_PAINT消息，更随意一些，但是它有一个问题，它不会永久地保留在屏幕上。例如，绘制代码写在鼠标左键接下消息处（WM_LBUTTONDOWN），代码如下所示：

  // 鼠标消息的处理
case WM_LBUTTONDOWN:
  
  hdc = GetDC(hWnd);
  // 图形或文字绘制
  // ...
  ReleaseDC(hWnd, hdc);

程序执行后，客户区不会有任何内容，当点击鼠标左键时，绘制的内容将打印到屏幕上，但此时，如果窗口被其他窗口覆盖、窗口的尺寸发生变化或任何一项（如5.1.2所描述的刷新请求），刚刚绘制的内容将会消失。只有再次点击鼠标左键时，绘制的内容才能再次打印到屏幕上。

5.1.5    窗口刷新函数的应用

窗口刷新中，屏幕刷新函数应用更为广泛，因为它使用较为灵活。屏幕刷新函数有两个：InvalidateRect函数与InvalidateRgn函数。

InvalidateRect函数向指定的窗体添加一个矩形，然后窗口客户区域的这一部分将被重新绘制，其函数原型如下：

BOOL InvalidateRect(
  HWND hWnd,  // handle of window with changed update region
  CONST RECT *lpRect,
               // address of rectangle coordinates
  BOOL bErase  // erase-background flag
);

参数hWnd，要更新的客户区所在的窗体的句柄。如果为NULL，则系统将在函数返回前重新绘制所有的窗口，然后发送 WM_ERASEBKGND 和 WM_NCPAINT 给窗口过程处理函数。

参数lpRect，无效区域的矩形代表，它是一个结构体指针，存放着矩形的大小。如果为NULL，全部的窗口客户区域将被增加到更新区域中。

参数bErase，指出无效矩形被标记为有效后，是否重绘该区域，重绘时用预先定义好的画刷。当指定TRUE时需要重绘。

【例5-2】将5.1.3节示例的功能进行了更改，当鼠标左键按下时，屏幕显示文字，鼠标右键按下时，清空屏幕上的文字，代码如下：

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
  char szBuff[64] = { "文本绘制" };	// 显示的文本内容
  PAINTSTRUCT ps;				// 记录一些绘制信息
  HDC hdc;						// 设备环境句柄
  static BOOL bIsDraw = FALSE;		// 静态变量，存放是否绘制的布尔值变量

  // 获得客户区域范围
  RECT rt;
  GetClientRect(hWnd, &rt);

  // 消息处理
  switch (message) 
  {
    // 鼠标消息的处理
  case WM_LBUTTONDOWN:
    bIsDraw = TRUE;
    // 刷新整个客户区
    InvalidateRect(hWnd, &rt, TRUE);
    break;

  case WM_RBUTTONDOWN:
    bIsDraw = FALSE;
    // 刷新整个客户区
    InvalidateRect(hWnd, &rt, TRUE);
    break;

    // 绘制消息处理
  case WM_PAINT:
    hdc = BeginPaint(hWnd, &ps);

    if(bIsDraw)
    {
      // 绘制文字到客户区，文字顶端居中
      DrawText(hdc, szBuff, strlen(szBuff), &rt, DT_CENTER);
    }//end if

    EndPaint(hWnd, &ps);
    break;

    // 窗口销毁消息，关闭窗口时响应。
  case WM_DESTROY:
    PostQuitMessage(0);
    break;

  default:
    // 调用系统默认消息处理，即交给系统处理。
    return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
  }//end switch

  return 0;
}

首先，定义布尔型静态变量bIsDraw，用来识别是否绘制，默认不做绘制操作；

其次，通过GetClientRect函数获得客户区的尺寸；

再次，就是消息的捕获过程。在WM_LBUTTONDOWN消息处，bIsDraw赋值为TRUE，目的是鼠标左键按下则执行绘制操作。虽然变量已经设置，但如果不执行InvalidateRect函数，它不会做刷新操作（即不会执行WM_PAINT消息）。在WM_RBUTTONDOWN消息处，bIsDraw赋值为FALSE，目的是鼠标右键按下后，不再执行文字的绘制操作。同样需要执行InvalidateRect函数，刷新一下窗口；

最后，在WM_PAINT消息处，判断bIsDraw的值，如果为真执行绘制文字操作，否则不做任何操作。