Windows编程的本质

既然Windows API编程是与Windows操作系统进行交互，所以就必须对Windows操作系统如何运行应用程序的原理搞清楚。

1、保护模式

操作系统是依附于cpu硬件的，所以操作系统所具备的功能也是cpu所给予的。Intel的32位CPU有两种主要的模式：实模式和保护模式。Dos操作系统就是运行在实模式下，而现代的操作系统都是充分利用了保护模式，从而使系统大大的安全稳定了很多。现代计算机都是用的冯诺依曼体系，其核心就是内存。所以CPU内部有寄存器，外部有内存，所以所谓的实模式和保护模式其本质就是对内存的访问形式不同。实模式就是对内存的直接访问，比如要在屏幕上显示一个数字就直接往显存中写就可以了，dos下编程就是这样的。但这有一个最大的问题就是不安全，任何程序可以随意访问内存，很容易就和操作系统的地址冲突，所以玩过dos的人都知道电脑是很容易死机的。为了解决这个问题，Intel在386以后的CPU都提供了保护模式。这种模式最重要的一个应用就是虚拟内存地址，大家都知道32位的CPU可以寻址的范围是4GB，在虚拟内存中给每一个进程都分配了4GB的虚拟地址。如果同时运行10个进程就要有10个4GB的虚拟内存，那问题来了，哪有这么多的内存呢？呵呵，所以这是虚拟内存嘛，不是真正的物理内存。只是面对进程，让程序员可以使用的内存地址，比如 int * p=new int 这句话是向电脑要一个4字节的内存，地址存在p里面，要是在实模式下p里面就是真正的物理地址，但是在保护模式下，p里面存的只是一个虚拟地址，至于真正的物理地址是多少是不允许程序员知道的，当windows拿到p后会把p里面的虚拟地址映射到一个物理地址中去的，而这一个过程是黑箱操作，普通的应用程序是不允许知道的。

2、内核空间和用户空间：

好了，现在知道在保护模式下编写程序访问的是4GB的虚拟内存，但是这4GB空间也不是全部给应用程序用的，操作系统也要使用，所以Windows规定把4GB空间分成两半，低2GB(0—0x7fffffff)空间用户可以使用，而高2GB空间（0x80000000—0xffffffff）用户不能使用，留给操作系统。所以这就有了用户空间和内核空间的区别。而这个规定其实也是用了CPU的特权级的功能：内核空间是0环，用户空间在3环，所以这就在CPU级别把内核和用户程序分割开了，目的就是确保用户程序不能骚扰内核，从而保证系统稳定。

3、内核对象：

但现在问题又来了，内核空间用户不能访问，那么操作系统的各种功能我们怎么调用呢？比如往屏幕上画一条线，在实模式下很简单，就是在显存里面写一排01010101就可以了，但是在实模式下我们只能访问2GB用户空间，显存在哪里都不知道，这怎么写啊？很容易想到的就是操作系统帮我们找显存的位置，我们只要调用操作系统的相关函数就可以了。但是操作系统在高2GB的内核空间中，我们还是不能直接使用。现在操作系统既要给我们用，又不能让我们直接用，那怎么办呢，微软的工程师想出的一个办法就是给我们一个编号，也就是句柄（HANDLE）,让我们要用内核什么功能就用句柄来用，这样就不必让我们知道具体的内核地址了。从而内核对象也就自然产生，Windows对硬件的所有操作都做成一个一个内核对象，我们要用的时候就申请这个对象，然后Windows给我们一个句柄，Windows内部计数器加1，我们不用了就关闭句柄，Windows内部计数器减1，当计数器为0的时候，Windows知道这个内核对象已经不用了，所以从真实物理内存中销毁。对于我们应用程序员来说，我们要做的事情就是申请内核对象，拿到句柄，操作句柄，销毁句柄。而这个流程也就是和Windows交互的流程，也就是所谓Windows编程的本质。