Windows编程系列：图形编程基础
前言
很早以前在github上看到的一个项目，通过hook WindowsAPI函数FillRect，对资源管理器背景进行了重绘。
项目地址如下：
https://github.com/Maplespe/explorerTool
我第一次见到的时候，觉得这个项目还是非常吸引我，因为从XP过后，我再也没有实现过为资源 管理器添加背景图片。
在XP时代，只需要一个desktop.ini就可以。
这个项目里涉及了Windows绘图的一些基础知识，在以前我对绘图这一块 的知识是看了忘忘了看，一直没有掌握下来。
这里做个笔记，希望供以后翻阅 。
图形输出设备
光栅设备
将图像表现为点（像素），比如视频 显示、点阵打印机和激光打印机。通俗点来说，就是放大以后会失真的图像。
矢量设备
用线段来绘制图像，比如绘图仪，这种图像放大以后不会失真。
GDI
GDI：Graphics Device Interface，图形设备接口，是Windows提供的一套函数接口。
Windows系统的图形界面是通过这套函数接口来实现的，这也是我学习绘图的主要原因。
GDI的函数都封装在GDI32.dll中，大概有几百个函数，Windows操作系统的窗口管理模块User32.dll大量的使用了GDI函数，
Windows图形界面上的窗口、菜单、图标、滚动条、标题栏等内容都是由User32.dll调用GDI函数进行绘制
GDI既可用于光栅设备，也可用于矢量设备。
GDI支持创建三种类型的图像输出 ：位图、矢量图和文本。中文本的输出也是按图形方式输出 。
GDI通常可以分为17个领域：
* 位图
处理创建、绘制相关设备相关位图(DDB)、设备无关位图(DIB)、DIB段、像素和区域填充的函数
* 画刷
处理创建、修改GDI画刷对象的函数
* 剪裁
处理设备描述表可绘制的函数
* 颜色
调色板管理
* 坐标和变换
处理映射模式、设备坐标映射逻辑和通用变换矩阵的函数。
* 设备描述表
创建设备描述表，查询 ，设置其属性及选择GDI对象的函数
* 填充形状
绘制闭合区域及其周线的函数
* 字体和文本
在系统中安装和枚举字体，并用它们绘制文本字符串的函数
* 直线和曲线
绘制直线、椭圆曲线和贝塞尔曲线的函数
* 元文件
处理Windows格式的元文件或增加型元文件的生成和回放的函数
* 多显示监视器
允许在一个系统中使用多个显示器的函数。这些函数实际上是从user32.dll导出的
* 画图和绘图
负责绘图消息管理和窗口已绘图区域的函数，其中一些函数实际上是从user32.dll中导出的
* 路径
负责将一系列直线和曲线组成名为路径的GDI对象，并用它来绘制的函数
* 画笔
处理直线绘制属性的函数
* 打印和打印池
否则将GDI绘图命令发送到硬拷贝设备（如行式打印机和绘图仪）并平滑地管理这些服务。
* 矩形
user32.dll提供的处理RECT结构的函数
* 区域
负责用区域GDI对象描述一个点集的函数，并对该点集进行操作。
说明：在C#中，封装了GDI相关的库是System.Drawing.dll，在WPF/UWP应用中，界面的绘制已经由DirectX来完成了，在Winform中，还是调用的GDI。
GDI+
Windows GDI+ 是 Windows XP 操作系统或 Windows Server 2003 操作系统的一部分，提供二维矢量图形、图像处理和版式。 GDI+ 通过添加新功能和优化现有功能，改进了 Windows 图形设备接口 (GDI) (早期版本的 Windows) 附带的图形设备接口。
Windows GDI+ 是一个图形设备接口，允许程序员编写与设备无关的应用程序。 GDI+ 的服务通过一组 C++ 类公开。
GDI是通过WinAPI函数体现，GDI+通过C++类的形式来体现。
GDI对象
与绘图有关的Windows对象称为GDI对象，一种Windows资源实体，比如窗口对象、画笔、画刷、字体等。
Windows对象通过分为内核 对象、GDI对象、和User对象这三类，通常用句柄来标识 。
GDI对象的拥有者通常是一个进程，不能被多个进程共有。
GDI对象与绘图有关，包手位图、画刷、画笔、字体、调色板、区域等。
GDI对象在使用完成后，需要及时释放，我以前就遇到过GDI对象没有及时释放，多次绘制，最终导致程序闪退的问题。
这种由于GDI对象导致的闪退问题，查找起来非常麻烦，所以要养成良好的习惯，在使用完成GDI对象后，及时释放。
更新区域
更新区域(update region)用于标记窗口无效部分的范围，该部分必须重绘，如果我们的绘图函数超出了更新区域，不会画出任何东西。
如果窗口产生了无效部分，系统会把这部分记录在更新区域内。
系统使用更新区域主要是为了加速，只需要重绘无效区域即可，从而加快绘画 速度。
当系统确定某个窗口需要更新时，它会将更新区域的尺寸设置为窗口的无效部分。 设置更新区域不会立即导致应用程序
绘制,应用程序会继续从应用程序消息队列中检索消息，直到没有消息。
然后，系统会检查更新区域，如果该区域不为空 (非 NULL) ，则会向窗口过程发送 WM_PAINT 消息。
程序在WM_PAINT消息中处理，并进行重绘。
窗口无效部分的产生可能由于窗口被缩放、移动、创建、滚动等，此时系统会根据该窗口无效部分设置好相应尺寸的更新区域。
窗口无效部分的产生还可以通过调用API函数，如InvalidateRect或InvalidateRgn能在客户区域上产生无效部分，RedrawWindow既可以在客户区上，也可以在非客户区产生无效部分。
InvalidateRect函数声明如下：
1 BOOL InvalidateRect( 2 [in] HWND hWnd, 3 [in] const RECT *lpRect, 4 [in] BOOL bErase 5 );
参数说明：
hWnd
窗口句柄， 如果此参数为 NULL，则系统会使所有窗口（而不仅仅是此应用程序的窗口）失效并重绘，并在函数返回之前发送 WM_ERASEBKGND 和 WM_NCPAINT 消息。 不建议将此参数设置为 NULL 。
lpRect
指向RECT结构，指定要加入到更新区域中的窗口某块矩形区域的尺寸，若为NULL则表示将整个客户区都加入到更新区域。
bErase
如果此参数为 TRUE，则调用 BeginPaint 函数时将擦除背景。 如果此参数为 FALSE，则背景保持不变
InvalidateRgn和InvalidateRect含义类似，只不过第二个参数指向一个任意形状区域的句柄，这个形状不一定是矩形。函数声明如下：
1 BOOL InvalidateRgn( 2 [in] HWND hWnd, 3 [in] HRGN hRgn, 4 [in] BOOL bErase 5 );
参数说明：
hWnd
窗口句柄
hRgn
要添加到更新区域的区域的句柄。 假设该区域具有客户端坐标。 如果此参数为 NULL，则整个工作区将添加到更新区域。
bErase
指定在处理更新区域时是否应清除更新区域中的背景。 如果此参数为 TRUE，则调用 BeginPaint 函数时将擦除背景。 如果参数为 FALSE，则背景保持不变。
RedrawWindow函数声明如下：
1 BOOL RedrawWindow( 2 [in] HWND hWnd, 3 [in] const RECT *lprcUpdate, 4 [in] HRGN hrgnUpdate, 5 [in] UINT flags 6 );
参数说明：
hWnd
要重绘的窗口的句柄。 如果此参数为 NULL，则更新桌面窗口。
lprcUpdate
指向 RECT 结构的指针，该结构包含更新矩形的坐标（以设备单位为单位）。 如果 hrgnUpdate 参数标识区域，则忽略此参数。
hrgnUpdate
更新区域的句柄。 如果 hrgnUpdate 和 lprcUpdate 参数均为 NULL，则整个工作区将添加到更新区域。
flags
一个或多个重绘标志。 此参数可用于使窗口失效或验证、控件重新绘制以及控制受 RedrawWindow 影响的窗口。
以下标志用于使窗口失效。
| 标记 (失效) | 说明 |
|---|---|
|
使窗口在重新绘制时收到 WM_ERASEBKGND 消息。 还必须指定RDW_INVALIDATE标志;否则，RDW_ERASE无效。 |
|
导致与更新区域相交的窗口非工作区的任何部分接收 WM_NCPAINT 消息。 还必须指定RDW_INVALIDATE标志;否则，RDW_FRAME无效。 除非指定 了RDW_UPDATENOW 或RDW_ERASENOW，否则在执行 RedrawWindow 期间通常不会发送WM_NCPAINT消息。 |
|
导致 WM_PAINT 消息发布到窗口，而不管窗口的任何部分是否无效。 |
|
使 lprcUpdate 或 hrgnUpdate 失效 (只有一个可以是非 NULL) 。 如果两者均为 NULL，则整个窗口无效。 |
以下标志用于验证窗口。
| 标记 (验证) | 说明 |
|---|---|
|
禁止显示任何挂起 WM_ERASEBKGND 消息。 |
|
禁止显示任何挂起 WM_NCPAINT 消息。 此标志必须与 RDW_VALIDATE 一起使用，并且通常与 RDW_NOCHILDREN 一起使用。 应谨慎使用RDW_NOFRAME，因为它可能会导致窗口的某些部分被不当绘制。 |
|
禁止任何挂起的内部 WM_PAINT 消息。 此标志不会影响由非 NULL 更新区域生成的WM_PAINT消息。 |
|
验证 lprcUpdate 或 hrgnUpdate (只有一个可以是非 NULL) 。 如果两者均为 NULL，则验证整个窗口。 此标志不会影响内部 WM_PAINT 消息。 |
以下标志控制何时发生重绘。 除非指定其中一个标志，否则 RedrawWindow 不会重新绘制。
| 标志 | 描述 |
|---|---|
|
使受影响的窗口 (RDW_ALLCHILDREN和RDW_NOCHILDREN标志) 接收 WM_NCPAINT ，并在函数返回之前 接收WM_ERASEBKGND 消息（如有必要）。 WM_PAINT 消息在正常时间接收。 |
|
使受RDW_ALLCHILDREN和RDW_NOCHILDREN标志指定的受影响的窗口 (，) 在函数返回之前接收 WM_NCPAINT、 WM_ERASEBKGND和 WM_PAINT 消息（如有必要）。 |
默认情况下，受 RedrawWindow 影响的窗口取决于指定的窗口是否具有WS_CLIPCHILDREN样式。 不是WS_CLIPCHILDREN样式的子窗口不受影响;非WS_CLIPCHILDREN窗口以递归方式验证或失效，直到遇到WS_CLIPCHILDREN窗口。 以下标志控制哪些窗口受 RedrawWindow 函数的影响。
| 标志 | 描述 |
|---|---|
|
在重绘操作中包括子窗口（如果有）。 |
|
从重绘操作中排除子窗口（如果有）。 |
说明：
对于客户区产生的无效部分，系统发送WM_PAINT到消息队列 。对于非客户区上产生的无效部分，系统会产生WM_NCPAINT消息。
无效化后不立即重绘，主要是为了提高系统的绘画效率，因为无效区域产生的原因很多，有可能函数调用产生，也有可能 用户操作窗口产生，这样就很有可能 在短时间内出现多个无效区域重叠的情况，此时系统等消息队列中没有消息时，再发送WM_PAINT，就能很大程度的避免多次重复绘画同一区域。
如果需要窗口无效化后立即重绘，可以调用UpdateWindow函数。声明如下：
1 BOOL 2 WINAPI 3 UpdateWindow( 4 _In_ HWND hWnd);
所以需要对某个区域进行立即 重绘，可以先调用InvalideRect函数，再调用UpdateWindow函数。
此外，还可以通过RedrawWindow函数，它相当于先调用InvalideRect函数，再调用UpdateWindow函数。
在WM_PAINT消息的处理中，必须调用BeginPaint函数，这个函数会限制绘画区域，同时将更新区域设置为空。
BeginPaint声明如下：
1 HDC 2 WINAPI 3 BeginPaint( 4 _In_ HWND hWnd, 5 _Out_ LPPAINTSTRUCT lpPaint);
参数说明：
hWnd
窗口句柄
lpPaint
指向绘图信息结构PAINTSTRUCT的指针，该参数是一个输出参数，可以获取绘图相关的状态信息。
返回值
成功，返回窗口的设备描述表句柄，失败，返回NULL。
PAINTSTRUCT结构定义如下：
1 typedef struct tagPAINTSTRUCT { 2 HDC hdc; //窗口设备描述表句柄 3 BOOL fErase; //是否清除背景色 4 RECT rcPaint; //更新区域的最小矩形范围 5 BOOL fRestore; //系统内部使用 6 BOOL fIncUpdate; //系统内部使用 7 BYTE rgbReserved[32]; //系统内部使用 8 } PAINTSTRUCT, *PPAINTSTRUCT, *NPPAINTSTRUCT, *LPPAINTSTRUCT;
至此，界面重绘的过程已经了解了。
当窗口被创建、滚动、缩放或者移动时，系统会先发送WM_ERASEBKGND消息，再发送WM_PAINT消息。
WM_ERASEBKGN消息的默认处理函数DefWindowProc会用预设的画刷擦除背景，这个画刷是我们在注册窗口时候设定的。
1 wcex.hbrBackground = (HBRUSH)(COLOR_WINDOW+1);
如果想让系统简单地擦除窗口背景，就不需要处理这个消息，系统会调用默认消息处理函数DefWindowProc，在这个函数中会对整个更新区域范围内的窗口背景进行擦除，更新区域外则不会擦除。
如果想自己绘制窗口背景，则可以在WM_ERASEBKGND消息处理中添加自己的代码，然后返回TRUE。
关于WM_ERASEBKGND消息处理这里还有一部分理论还未理解透彻，这里就暂时不写出来了。
设备描述表(DC)
在Windows操作系统中，我们要在屏幕的窗口上画图或在打印机上输出 图形，需要先确定绘图所需要的相关工具和参数。这个工具和参数相当于一个绘图的环境，为了方便管理各个工具和参数，GDI用设备描述表（Device Context，DC）来表示绘图环境，而绘图相关的工具和参数就成为设备描述表的属性。
在窗口上进行绘图时，需要先取得这个窗口的设备描述表，然后开始在窗口上绘图。
设备描述表是GDI内部的数据结构 ，无法直接访问，但是系统会提供一个句柄来引用 设备描述表，并提供一些API函数对这个句柄进行操作。
设备描述表可以分为
* 显示设备描述表
用于在显示设备（比如显示器）上绘图
* 打印设备描述表
用于在点阵打印机、激光打印机和喷墨打印机上绘图
*内存设备描述表
用于为特定的设备存储位图，并支持在位图上绘图
* 信息设备描述表
用于获取默认设备的数据
设备描述表的获取和释放
Win32中，图形设备描述用一个句柄来表示 ，HDC。
Windows操作系统中，屏幕、窗口和窗口客户区分别有不同的设备描述表。
要在这3个不同区域绘图，必须先得该区域的设备描述表。
获取屏幕的设备描述表方式如下：
1 HDC hdc = CreateDC(L"Display",0,0,0); //获取屏幕的设备描述表
使用完成后，需要释放，释放的函数是DeleteDC。
CreateDC和DeleteDC是成对使用。
获取窗口的设备描述表通过GetWindowDC函数，声明如下：
1 HDC GetWindowDC(HWND hwnd);
使用完成后，需要释放，释放的函数是ReleaseDC
GetWindowDC和ReleaseDC也是成对使用
对于窗口客户区，通常有两种方式获取设备描述表
1、通过函数BeginPaint
一般而言，窗口重启区的重绘操作都是在WM_PAINT消息中进行的，在这个消息处理(WM_PAINT)分支中，先通过函数BeginPaint来获取设备描述表句柄，然后进行GDI绘图操作。绘图完成后再调用EndPaint来标记绘图已经完成。
BeginPaint除了可以获取设备描述表句柄以外，还能把更新区域变为裁剪区，同时将更新区域标记为空，这样系统就不会一直发出WM_PAINT的消息，此外，该函数还会填充绘图信息结构体的数据。
通过下面的示例代码，可以更好的理解：
1 case WM_PAINT: 2 { 3 PAINTSTRUCT ps; 4 HDC hdc = BeginPaint(hWnd, &ps); 5 // TODO: 在此处添加使用 hdc 的任何绘图代码... 6 EndPaint(hWnd, &ps); 7 } 8 break;
和前面的HDC操作一样，BeginPaint和EndPaint也是成对出现。绘图完成后，需要调用EndPaint来标记绘图已经完成。
2、通过函数GetDC
如果不是在WM_PAINT消息中获取设备描述表句柄，例如要用鼠标进行画线，可以通过在鼠标消息的处理事件中通过GetDC函数来获取设备描述表句柄，然后进行画线操作。GetDC声明如下：
1 WINUSERAPI 2 HDC 3 WINAPI 4 GetDC( 5 _In_opt_ HWND hWnd);
hWnd就是要获取DC的窗口句柄，如果这个参数为NULL，就返回整个屏幕的DC。成功就返回指定窗口客户区的设备描述表句柄，否则为NULL
和前面的GetWindowDC一样，使用GetDC在绘图完成后，需要调用ReleaseDC函数释放设备描述表。
GetDC和ReleaseDC也是成对出现。
下面的示例代码就是通过GetDC函数使用鼠标绘图
1 BOOL fDraw = FALSE; 2 POINT ptPrevious; 3 4 . 5 . 6 . 7 8 case WM_LBUTTONDOWN: 9 fDraw = TRUE; 10 ptPrevious.x = LOWORD(lParam); 11 ptPrevious.y = HIWORD(lParam); 12 return 0L; 13 14 case WM_LBUTTONUP: 15 if (fDraw) 16 { 17 hdc = GetDC(hwnd); 18 MoveToEx(hdc, ptPrevious.x, ptPrevious.y, NULL); 19 LineTo(hdc, LOWORD(lParam), HIWORD(lParam)); 20 ReleaseDC(hwnd, hdc); 21 } 22 fDraw = FALSE; 23 return 0L; 24 25 case WM_MOUSEMOVE: 26 if (fDraw) 27 { 28 hdc = GetDC(hwnd); 29 MoveToEx(hdc, ptPrevious.x, ptPrevious.y, NULL); 30 LineTo(hdc, ptPrevious.x = LOWORD(lParam), 31 ptPrevious.y = HIWORD(lParam)); 32 ReleaseDC(hwnd, hdc); 33 } 34 return 0L;
运行效果：
BeginPaint和GetDC获取窗口区DC句柄的区别
1、BeginPaint函数针对的是必须重绘的区域（也称无效区域、失效区域），该区域可能 是整个窗口客户区，也可能 是客户区中某块无效矩形区域。
BeginPaint函数获取HDC后，后续绘图操作都是在无效区域中进行。如果绘图范围超过无效区域，将被忽略。
说明：
InvalidateRect 或 InvalidateRgn 函数可以间接为窗口生成WM_PAINT消息。 这些函数将工作区的全部或部分标记为无效
GetDC针对的区域是整个客户区，后续绘图操作可以在整个客户区中进行，没有无效区域的概念。
2、BeginPaint会把无效区域变成有效区域，GetDC则不会。无效区域依旧是无效区域。
3、BeginPaint只能在WM_PAINT消息里使用，因为进入了WM_PAINT消息处理，说明一定有无效区域了，有无效区域了BeginPaint才有用武之地，没有无效区域BeginPaint后续的绘图操作会被忽略掉。
GetDC既可以在WM_PAINt消息里使用，也可以在非WM_PAINT消息里使用。
设备描述表的属性
设备描述表包含在窗口上进行绘图操作所需的环境信息，这些环境信息就是设备描述表的属性，比如当前环境的颜色、坐标、映射模式、绘制文本所用的字体等。
在获取设备描述表时，系统已经为设备描述表分配了一些默认属性值，如绘制文本时，颜色默认是黑色。
常见的设备描述表的属性
常用数据结构
点的坐标POINT
点的坐标用POINT结构体来表示 ，定义如下：
1 typedef struct tagPOINT { 2 LONG x; //横坐标 3 LONG y; //纵坐标 4 } POINT, *PPOINT, *NPPOINT, *LPPOINT;
使用方法如下：
1 POINT pt = {1,1} //定义一个点，坐标为（1，1）
矩形尺寸SIZE
用SIZE表示矩形的长和宽，定义如下：
1 typedef struct tagSIZE { 2 LONG cx; 3 LONG cy; 4 } SIZE, *PSIZE, *LPSIZE;
使用方法如下：
SIZE sz = {100,100} //定义宽高100的矩形
矩形坐标RECT
矩形坐标就是一个矩形的四个角的坐标，定义如下：
1 typedef struct tagRECT { 2 LONG left; 3 LONG top; 4 LONG right; 5 LONG bottom; 6 } RECT, *PRECT, *NPRECT, *LPRECT;
left:左上角x坐标
top:左上角y坐标
right:右下角x坐标
bottom:右下角y坐标
使用方法如下：
1 RECT rect = {0,0,100,100};
RECT提供了一些辅助函数
PtInRect：判断是否在矩形范围内
SetRect：确定一个矩形坐标
InflateRect：增大或缩小矩形的长和宽
CopyRect：复制矩形坐标
EqualRect：判断两个矩形坐标是否相等
IntersectRect：将坐标交集并赋给目标矩形
IsRectEmpty：判断坐标是否都为0
OffsetRect：偏移一段距离
SetRectEmpty：设置坐标都为0
SubtractRect：两个坐标相减
UnionRect：两个坐标的并集
参考资料：
https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/gdi/drawing-in-the-client-area
https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/gdi/painting-and-drawing
https://learn.microsoft.com/zh-cn/windows/win32/gdi/drawing-a-minimized-window
