如何用 C++ 从零编写 GUI？
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时间：2015年06月08日
GUI库可大可小，大可以是Qt WPF这种数以百万行计的代码，小的可以是WTL这种只有几个头文件。
对一般人来说，不要奢望能做出大GUI库，写一个小一点的，满足自己的需求，针对某类应用就好了。
我曾经遇到一个需求，需要一个小型的GUI库来写个安装程序。
安装程序是比较特别的，对于互联网下载安装的软件，要满足以下要求：
1. 不能带DLL，必须是静态链接，对系统的依赖越小约好。
2. 可执行代码必须足够小，一般来说要500KB左右最好。
3. 有比较好看的图形效果，比如安装过程的过场动画，窗口要有个半透明阴影光圈什么的。
用Qt写显然不合适，虽然我在知乎多次说过Qt库其实不大，但是对于写安装程序还是真的有点大了，Qt的静态链接出的Exe有2MB左右。
用MFC也不合适，MFC静态链接出来有400KB左右，算上安装程序自身的代码和资源肯定突破500KB了。
用VC++ 6.0的MFC去写，可以小很多，但是用这种古董不符合我的品味。
用WTL写，这个肯定很小，只创建一个窗口的程序静态链接只有50KB左右，但是什么功能都没有啊，只能创建使用基础的标准悾件，做个透明窗口都要自己再用其他API实现。
还是自己写一个吧，小一点实用一点，就用来做安装程序好了，不追求有多么高大上的能力。
跨平台就不追求了，只解决Windows问题就好了。
实现GUI库，有几个基本的子系统：
1. 窗口管理系统，这个代码就是封装Win API，但是这个工作很无聊，又很麻烦，我索性用WTL实现了，把自己的窗口类去聚合WTL的 CWindow，拿WTL做后端帮我创建管理窗口，对外是看不到WTL的，我没有用派生是因为不想让WTL污染我的接口设计。
我用私有类的方法，把WTL封装起来了，外面看不到
2. 事件系统，WTL的消息映射宏太丑了，我喜欢Qt的signal/slot，但是实现一个Qt那样的signal/slot可不容易，相当于发明一种C++扩展语法，还要自己实现一个MOC这种编译预处理器，工作量太大了。用Boost::signal 也太笨重了，boost会引入一个很大的依赖库，我还希望这个GUI库可以用默认的VC++就能编译呢，不想依赖太多其他库，而且boost的function会带来编译困难。
我选择了用一个轻量级的sigslot库，http://sigslot.sourceforge.net/
基于C++ template实现的，功能简单，实现也很简单，只有一个头文件，很符合我的要求，本来就不需要那么复杂的功能。
3. 图形系统
既然是GUI库，总不能还用GDI函数往hDC上绘制吧，好歹要弄个FrameBuffer，支持RGBA，渲染好了可以通过UpdateLayeredWindow更新到窗口上，以实现半透明异形窗口图形效果，比如实现个阴影边缘什么的。
自己写一个还是很麻烦的，光基本的点线圆绘制，基本的Alpha混合就要写上万行，更别提文字输出了。用第三方库的话，2D图形库就没有小的，光图形库就突破500KB的限制了，用Direct2D是不是有点小题大做了？还是用GDI+吧，虽然这个函数库不太受待见，但好歹是标准库，所有Windows都内置，而且我要求的基本图形功能都是有的。
自己写个 RPainter 包装GDI＋的函数，顺便把 PNG JPG的编解码也解决了。
4. 布局系统
GUI库总不能让用户自己一个一个创建控件然后用绝对坐标摆放吧。基本的UI描述文件，Layout支持还是要有的。
但是我没有用XML，而是用了JSON，这两种格式描述能力是差不多了，仅是我个人偏好JSON，另外JSON库比较小，我用的是这个
http://sourceforge.net/projects/mjson/
根据JSON的描述来构建窗口控件的对象树。
我没有去实现复杂的布局，只实现了Anchor Layout，基本可以保证够用了。
给每个控件设定好object name，在C++里提供
搞自动绑定可不容易，开发者自己手工绑定吧，好在小程序控件也不多。
5. 基本数据类型和容器类型
身为一个Qt粉当然要自己实现一套string类和泛型容器，向Qt致敬啦。
我没觉得自己有能力重写一遍STL，就是用系统的STL做后端，聚合STL的类，实现COW（copy－on－write），实现统一内存池。后来我把vc++的STL换成了 eastl
paulhodge/EASTL · GitHub
这个STL的实现非常好，解决了代码膨胀问题，编译出来的代码比用VC STL小得多。
RString是我自己写的，但是很多代码是照抄QString的。
但是实现string和数据容器不是GUI库必须做的，只是我个人偏好。
6 一些杂项 utility：
基本算法，MD5 SHA1 ZIP 7Z
网络支持，TCP UDP HTTP，没搞太复杂网络模型就是简单的select，HTTP是封装的WinHTTP。
IO支持，RFile RStream
7. 至于基本控件，早期只提供了RButton RLabel RTextEdit，其他的按需求用到哪个就实现哪个。
好了，差不多了吧，有这些做个安装程序基本算够了。
这个GUI库写大程序还是不行，格局太小，只能做小玩意儿，而且GUI库要有配套的工具链，这个很麻烦工作量又大，所以开发大工程还是推荐用Qt。
这个库早期的基础版本写下来也就两万行左右代码，基本只有自己用，想到如果要给别人用的话还要写文档，脑袋瞬间大了一圈圈。
后来有个同事把Lua集成进去了，做了脚本绑定，支持拿Lua脚本写程序，有点QML的感觉了，不过没有在真正的产品里用到。
对一般人来说，不要奢望能做出大GUI库，写一个小一点的，满足自己的需求，针对某类应用就好了。
我曾经遇到一个需求，需要一个小型的GUI库来写个安装程序。
安装程序是比较特别的，对于互联网下载安装的软件，要满足以下要求：
1. 不能带DLL，必须是静态链接，对系统的依赖越小约好。
2. 可执行代码必须足够小，一般来说要500KB左右最好。
3. 有比较好看的图形效果，比如安装过程的过场动画，窗口要有个半透明阴影光圈什么的。
用Qt写显然不合适，虽然我在知乎多次说过Qt库其实不大，但是对于写安装程序还是真的有点大了，Qt的静态链接出的Exe有2MB左右。
用MFC也不合适，MFC静态链接出来有400KB左右，算上安装程序自身的代码和资源肯定突破500KB了。
用VC++ 6.0的MFC去写，可以小很多，但是用这种古董不符合我的品味。
用WTL写，这个肯定很小，只创建一个窗口的程序静态链接只有50KB左右，但是什么功能都没有啊，只能创建使用基础的标准悾件，做个透明窗口都要自己再用其他API实现。
还是自己写一个吧，小一点实用一点，就用来做安装程序好了，不追求有多么高大上的能力。
跨平台就不追求了，只解决Windows问题就好了。
实现GUI库，有几个基本的子系统：
1. 窗口管理系统，这个代码就是封装Win API，但是这个工作很无聊，又很麻烦，我索性用WTL实现了，把自己的窗口类去聚合WTL的 CWindow，拿WTL做后端帮我创建管理窗口，对外是看不到WTL的，我没有用派生是因为不想让WTL污染我的接口设计。
我用私有类的方法，把WTL封装起来了，外面看不到
//伪代码
class RWindow : public RObject
{
private:
RWindowPrivate *d;
}
class RWindowPrivate
{
public:
CWindow m_wnd;
}
2. 事件系统，WTL的消息映射宏太丑了，我喜欢Qt的signal/slot，但是实现一个Qt那样的signal/slot可不容易，相当于发明一种C++扩展语法，还要自己实现一个MOC这种编译预处理器，工作量太大了。用Boost::signal 也太笨重了，boost会引入一个很大的依赖库，我还希望这个GUI库可以用默认的VC++就能编译呢，不想依赖太多其他库，而且boost的function会带来编译困难。
我选择了用一个轻量级的sigslot库，http://sigslot.sourceforge.net/
基于C++ template实现的，功能简单，实现也很简单，只有一个头文件，很符合我的要求，本来就不需要那么复杂的功能。
class RWindow : public RObject
{
sigslot::signal0<> Clicked
}
class MyApp
{
void on_clicked()
{
}
void init()
{
m_win.Clicked.connect(this, &MyApp::on_clicked);
}
RWindow m_win;
}
3. 图形系统
既然是GUI库，总不能还用GDI函数往hDC上绘制吧，好歹要弄个FrameBuffer，支持RGBA，渲染好了可以通过UpdateLayeredWindow更新到窗口上，以实现半透明异形窗口图形效果，比如实现个阴影边缘什么的。
自己写一个还是很麻烦的，光基本的点线圆绘制，基本的Alpha混合就要写上万行，更别提文字输出了。用第三方库的话，2D图形库就没有小的，光图形库就突破500KB的限制了，用Direct2D是不是有点小题大做了？还是用GDI+吧，虽然这个函数库不太受待见，但好歹是标准库，所有Windows都内置，而且我要求的基本图形功能都是有的。
自己写个 RPainter 包装GDI＋的函数，顺便把 PNG JPG的编解码也解决了。
4. 布局系统
GUI库总不能让用户自己一个一个创建控件然后用绝对坐标摆放吧。基本的UI描述文件，Layout支持还是要有的。
但是我没有用XML，而是用了JSON，这两种格式描述能力是差不多了，仅是我个人偏好JSON，另外JSON库比较小，我用的是这个
http://sourceforge.net/projects/mjson/
根据JSON的描述来构建窗口控件的对象树。
我没有去实现复杂的布局，只实现了Anchor Layout，基本可以保证够用了。
给每个控件设定好object name，在C++里提供
template<typename T>
T *findObject(const RString &name)
5. 基本数据类型和容器类型
身为一个Qt粉当然要自己实现一套string类和泛型容器，向Qt致敬啦。
我没觉得自己有能力重写一遍STL，就是用系统的STL做后端，聚合STL的类，实现COW（copy－on－write），实现统一内存池。后来我把vc++的STL换成了 eastl
paulhodge/EASTL · GitHub
这个STL的实现非常好，解决了代码膨胀问题，编译出来的代码比用VC STL小得多。
RString是我自己写的，但是很多代码是照抄QString的。
但是实现string和数据容器不是GUI库必须做的，只是我个人偏好。
6 一些杂项 utility：
基本算法，MD5 SHA1 ZIP 7Z
网络支持，TCP UDP HTTP，没搞太复杂网络模型就是简单的select，HTTP是封装的WinHTTP。
IO支持，RFile RStream
7. 至于基本控件，早期只提供了RButton RLabel RTextEdit，其他的按需求用到哪个就实现哪个。
好了，差不多了吧，有这些做个安装程序基本算够了。
这个GUI库写大程序还是不行，格局太小，只能做小玩意儿，而且GUI库要有配套的工具链，这个很麻烦工作量又大，所以开发大工程还是推荐用Qt。
这个库早期的基础版本写下来也就两万行左右代码，基本只有自己用，想到如果要给别人用的话还要写文档，脑袋瞬间大了一圈圈。
后来有个同事把Lua集成进去了，做了脚本绑定，支持拿Lua脚本写程序，有点QML的感觉了，不过没有在真正的产品里用到。
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王斌，数学爱好者，喜欢平面设计、户外运动
大概2009年的时候，我就沉醉在编写一款能跨时代的GUI上，从哪时候开始，我开始大量研究国内外所有开源非开源的GUI。
最开始的时候，每个写GUI的人都会经历那么几个阶段（windows下），
使用MFC，windows控件 ->发现windows控件不足，开始改装->发现改的多了，重复造轮子，开始思考从头完全自己实现控件->GUI的雏形->总结各种gui，写出自己的DirectUI->发现光是DirectUI还不够满足日益增长的界面需求，开始思考更合理的设计理念
所以你会发现，要从头实现一款自己的界面库，你需要了解界面库是如何运作的，这就牵扯到消息机制、绘图机制，这算界面库的最底层。在这层其实就有大量细节。比如在windows上，在用GDI的过程中，会发现GDI有各种各样极其不爽的地方，不支持alpha通道、抗锯齿效果不好、矢量功能太弱、图像处理功能太弱等等。所以在这一步，你需要一个好用的渲染框架。个人非常推荐skia，效果强大，速度极快。
有了渲染层，你要设计一套消息循环机制，你需要设计你的各个控件是如何接受消息，并做出反应。然后之上到了控件层，你需要设计你的控件体系。比如你要怎么分类你的控件，各种控件之间怎么协作。控件层之上，你又需要布局，就是说你需要有一种方式，让你的控件方便的放置在应该在的位置。
写完了这些，你会需要一个更方便的配置系统。这时候你会想到xml。这种结构化的语言对你来说很适合描述控件的各种信息。于是你又加入xml配置控件。
等等等等，写完这些，你基本上已经算半个界面专家了。但其实这一阶段，才是真正界面高手和界面熟手的分界点。到这一阶段，如果你对界面有更高的要求，你会发现用xml配置那些写好的控件，到底还是太麻烦。产品会给你提无数乱七八糟的需求，这种需求不是一个通用控件可以搞定的。这时候，你会有所思，想怎么才能更加方便的开发。当年，在这个阶段，我苦思了很久，最后直到在公司的某个公共目录，发现一份对迅雷界面库的分析，我才恍然大悟。原来你少了一种打破控件系统的勇气和创意。这个时候，你会发现，市面上许许多多的js库，其实就代表未来界面库的发展方向：不再使用传统的控件体系，而是用比控件更小粒度的原子控件---就比如迅雷界面库里的各种原子控件，又如js库里所使用的那些html元素。你会发现，只使用基本的几个元素，然后强化他们的拼装方式，能更方便快捷的实现产品提出的那些奇怪需求。
有了原子控件，你拼装出异性控件更加方便，你要实现控件各种动画也更加简洁。当你还是觉得有点不足，你会发现C++写这种异步逻辑的工作，太tm麻烦了。你会发现写网页的那群人永远写出炫酷界面的时间比你短。这时候你会再次醒悟，用脚本来实现这一切，用脚本去黏合这些逻辑。你会发现，用脚本去写动画，写消息响应，由于脚本天生自带闭包，写这种异步逻辑简直爽到爆…………
写完这些，我的库基本也被公司所用。小小得瑟一下，现在毒霸的加速球悬浮窗就是用这套逻辑写的，使用的库叫kdgui ：-）
未完待续，有时间还想讲下kdgui的设计思路，当时可是把10多m的webkit，给完全解剖了，变成2m的kdgui：-）
Gdier，就是一死写界面的
从0开始学GUI编程，但是不用库，这件事本身是个伪命题。GUI编程是个复杂的知识体系，并不像大多数人想像中那么简单。所以如果题主真的想对Win32下（我猜的）的GUI编程有比较深刻的理解，建议还是从使用库开始。
先简单的说下，一个能用的界面程序员需要储备哪些知识：
1.各种系统内置控件的使用方法及特性
2.界面相关的消息机制。比如Windows下的消息循环，iOS中的RunLoop机制等
3.消息及事件派发机制
4.简单的绘图方法
优秀的界面程序员需要具备的进阶技能包括但不限于：
1.熟悉进程、线程调度机制，各种内核对象的应用
2.基本的图形学和图像处理技能，位图基础
3.图像编辑工具的使用，熟练使用PhotoShop、AI、mspaint等至少一种
4.有过多个平台的界面开发经验
回到题目，从0开始，当然先要成为能用的界面程序员。熟悉系统内置控件的最佳方式莫过于使用各种成熟framework来实现需求。至于是MFC还是WTL还是别的什么，倒不是什么大不了的事。
还是简单说下MFC和WTL（ATL）的区别。以前经常会看到有人说MFC如何如何渣，如何如何误导观众，其实这也是一个误解。
MFC
优点：易上手，对于界面订制不高的需求更容易做到快速实现
缺点：不够灵活，效率略低，运行库体积较大且版本太多
WTL（ATL）
优点：灵活，代码执行效率高（其实就是Win32 API的简单封装，当然快），运行库小，老版本甚至有个minicrt版本，一个简单的helloworld只有80k且不依赖任何运行库
缺点：封装的不够完全，很多功能需要自己实现；细节暴露太多，控制能力较差的程序员很容易把代码写的乱七八糟；WTL的支持者大多对范型这种东西有着阶段性盲目崇拜（顺便怀念一下当年那青葱的自己_(:зゝ∠)_）
OK，我的意图已经很明显了，如果完全没有基础，先看看MFC吧。如果能够做到熟练运用（如果悟性好，这个时间段可以非常非常短，所以不要着急），并且开始接触Win32原生API，再开始试着用下WTL，你顿时会发现世界美妙多了。
当你已经可以熟练使用框架进行界面开发之后，就可以开始探讨一些原理性质的东西了，这个时候可以试着读一下界面框架的源代码，然后你就能了解为什么同样是API封装，不同的框架使用起来会有那么多的区别。
举个例子，比如消息机制，以上两个框架的消息循环封装都写的非常漂亮，MFC的消息注册机制、WTL的thunk机制，都是非常值得一读的。
如果你已经走到这一步，恭喜你，你已经是个不错的界面程序员了，如果这个时候你仍然觉得自己非常喜欢写界面，你就有机会成为一个很优秀的界面程序员。那么，接下来会发生些什么呢？
1.你会嫌弃各种系统控件，什么都想自己画。你手上会有一套常用的自绘控件代码
2.你会开始崇拜DirectUI，对spy++抓不到的窗口怀有深深的敬意
3.你开始尝试自己写一个简单的界面库
4.你会后悔高中没学好解析几何，大学没学好线性代数
5.觉得写界面的程序员好不受重视啊，要不要也去做几个牛逼的功能？
于是那年我辞职出去创业了，为了公司的产品，我花了一个多星期写了bkwin的原型，基于WTL实现了一套基本的DirectUI体系，用XML描述界面布局，并实现了一个RelativeLayout和一个FrameLayout（以至于一年后当我看到AndroidSDK里描述界面的方法时，各种即视感，然后感慨自己道行尚浅）。后来又断断续续的增加了一些复杂控件实现，以及缓存优化、换肤支持等等。现在这个库的早期版本已经被公司开源，并且应用在有上亿用户量的产品中。（好久没得瑟了，一下没忍住 ´▽`）
越往后写，越发现自己知识的匮乏。当GDI+解码PNG的效率成为瓶颈的时候，我开始学习自己处理DIB；当C++代码处理DIB的效率已经不能再提升的时候，我开始看SSE的流水线指令...当我觉得我已经实在改不动的时候，有幸读到了WebKit的代码，被WebCore彻底击溃；然后我转行做了iOS程序员，于是三观又被毁了...
话题扯的有点远，其实我的根本意思还是想说，学无止境，既然打算从0开始，就认认真真打好基础，每向前多走一步，都要夯实，尝试去了解一些原理性的东西，不能浅尝辄止。不求甚解是成为一个优秀程序员的大忌讳。
最后推荐两本书：《Windows核心编程》、《Windows图形编程》，其中《Windows图形编程》早已绝版，不过网上可以买到影印版的，非常值得细读。希望题主以后有机会成为一个牛逼的界面程序员。