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Peter Sobe 1

6. Betriebssysteme und Windows-Fenster/Grafikprogrammierung

Inhalt:

A. Rechnerhardware, Betriebssystem und Programme

B. Win32 – Programmierung mit Fenstern und Grafikausgabe

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Rechnerhardware, Betriebssystem und Programme

Das C-Programm wird als Prozess ausgeführt, z.B. als:

Win32-Konsolenanwendung in einem Textfenster CLR-Konsolenanwendung Win32 – Fensteranwendung (mit Haupt-Window) als UNIX/LINUX-Programm mit/ohne grafische

Benutzeroberfläche

Das Betriebssystem (Windows, UNIX/LINUX und änhliche) stellt dem Programm eine Ausführungsumgebung bereit. Nur in ganz besonderen Systemen läuft das Programm ohne Betriebssystem direkt auf der Hardware.

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Aufgaben des Betriebssystems (1)Das Betriebssystem (engl. Operating System) virtualisiert die Hardware für die laufenden Programme.

Speicherverwaltung:Jedes Programm kann einen eigenen Adressraum benutzen, der für jedes Programm einen gleichartigen Adressbereich bedeutet. Das Betriebssystem regelt, dass die Programmadressräume auf getrennte physikalische Speicheradressen „geschaltet“ werden.

Die MMU (Memory Management Unit) ist eine Funktionseinheit, die die Adressumsetzung vornimmt. Die dazu benötigten Tabellen werden durch das Betriebssystem mit Inhalt gefüllt.

Speicherschutz: Ein Anwendungsprogramm kann seine eigenen Speicherbereiche verändern – aber nicht auf den Speicher anderer Programme und des Betriebssystem zugreifen (Ausnahmen für gemeinsamen Speicher sind möglich).

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Aufgaben des Betriebssystems (2)

Prozessverwaltung:Jedes laufende Programm (Prozeß) wird wie auf einem eigenen Prozessor ausgeführt, obwohl i.d.R. mehrere Prozesse auf einem oder einigen wenigen Prozessoren ausgeführt werden.

Das Betriebssystem regelt die Zuteilung von Prozessoren und Zeitscheiben an die Prozesse.

Scheduling (Planung der Zeitzuteilung): Prozesse, die auf Eingaben oder Nachrichten aus dem Netz

warten, werde solange deaktiviert. Andere Prozesse können arbeiten (laufen bzw. rechnen).

Mehrere nicht-wartende Prozesse bekommen die Prozessoren im kurzen Zeitscheiben zugeteilt (einige ms). Die Verteilung kann durch Prioritäten beeinflusst werden.

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Ein- und Ausgabe (E/A):Die verschiedenen E/A-Klassen werden durch das Betriebssystem virtualisiert. Tastatur und Bildschirm – stdin, stdout, stderr Festplatte(n), Speichermedien – Darstellung als Dateisystem

mit Verzeichnissen, Dateien und zusätzlichen Informationen (Erstellungsdatum, Zugriffsrechte, u. ä.)

Netzwerk und entfernte Rechner – das lokal laufende Betriebssystem erlaubt, einzelne Nachrichten (s.g. Pakete) an andere Prozesse zu senden oder Ströme zu anderen Prozessen aufzubauen.

Gerätetreiber zur Anbindung von speziellen Geräten (Grafikkarten, Netzwerkkarten, Drucker, etc.) an die Betriebssystem-Schnittstellen.

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Auch die grafische Benutzeroberfläche ist zumindest bei MS-Windows ein Teil des Betriebssystems.

Prozesse können dabei mehrere Fenster öffnen, Elemente(Knöpfe, Auswahlboxen, Textboxen, Grafikbereiche, Schiebebalken u.ä.) darstellen und durch eigene Funktionen programmieren.

Bei unixartigen Betriebssystemen ist die grafische Benutzeroberfläche ein eigenständiger Prozess, der wie die Anwendungen unter Steuerung des Betriebssystems ausgeführt wird. Die Anwendungen benutzen Bibliotheken zur Gestaltung ihrer Benutzeroberfläche, die mit dem Prozess für die Benutzeroberfläche kommunizieren.

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Gesamtbild des Betriebssystems

Anwendungs-prozeßAnwendungs-

prozeßAnwendungs-prozeß

MMU

Physikalischer Speicher

Speicherverwaltung:Tabellen zu Adressumsetzung

Speicherzugriff (z.B. Variable, Felder)

Befehlsausführung(für Anweisungen)

Prozess-Verwaltung

Dateisystemund Gerätetreiber

Ein- und Ausgabe

BetriebssystemRechner-hardware

Prozessor-Befehleund Register

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Abgrenzung vom Betriebssystem

Keine Teile des Betriebssystems sind:

Texteditoren, Media-Player und sonstige Zubehör-Programme (obwohl diese für den „Konsumenten“ oft als Bestandteile des Betriebssystems dargestellt werden.)

Entwicklungsumgebungen, Übersetzer, u.ä.

Kommandointerpreter, Web-Browser

Das sind typischerweise auch Anwendungsprogramme.

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Win32-Fenster-Programmierung

Fensterbasierte Anwendungen können durch Benutzung der Win32-Anwendungsschnittstelle (API) oder durch Verwendung der MFC (C++ Microsoft Foundation Classes) erstellt werden.

Win32: durch Auswahl Projekttyp „Win32“ innerhalb Visual Studio wird beim Erstellen ein Codegerüst für eine Fensteranwendung mit minimaler Grundfunktionalität erstellt.

Hauptfenster – zum Aufnehmen von Text und Grafik

Menu – mit Standardeinträgen “Datei/Beenden“ und “Hilfe/Info…“

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Die Windows-API (Win32)

Um Windows-Programme mit einer Fensteroberfläche zu erzeugen, benötigen Nicht-Microsoft-Programmierer einen Zugriff auf Windows-interne Funktionen – ein Application Programming Interface (API)

Die Windows-API fasst eine große Anzahl von Windows-funktionen in einer Schnittstelle zusammen • die erste Windows-API basierte noch auf einer reinen C-

Programmierung und bot nur reine C-Funktionen an

• später wurde eine objektorientierte Schicht darüber gesetzt - die Microsoft Foundation Classes MFC (C++)

- Es gibt auch noch weitere objektorientierte Windows/GUI-Programmierschnittstellen (z.B. Qt)

R. Grossmann / P.Sobe

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allgemeine Architektur einer Windowsanwendung

• Anstelle des main() gibt es eine Funktion WinMain(). Diese Funktion wird nach dem Start der Anwendung aufgerufen.

• In WinMain() wird in der Regel das erste Fenster oder eine andere Dialogform generiert.• Die allgemeine Anwendungsfensterklasse wird zusammen mit einer

sogenannten CALLBACK-Routine bei Windows registriert (bekannt gemacht in der windowsinternen Verwaltung)

• Nach dem Definieren der Fensterparameter wird das Fenster sichtbar gemacht

• abschließend wird eine Schleife zur Abfrage und Verarbeitung von Windows-Nachrichten gestartet, welche erst bei einem angeforderten Beenden der Applikation verlassen wird

• Windows ruft von sich aus die CALLBACK-Routine auf, falls für das zugehörige Fenster Nachrichten vorliegen

• Unter Fenster sind auch alle Bedienelemente wie Tasten, Eingabefelder und Boxen zu verstehen, welche hierarchisch verknüpft sind.


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Das Nachrichtensystem von WINDOWS

Hardware ( Bildschirm, Tastatur, Maus, Massenspeicher, Drucker, ...)

Start

Windows-Betriebssystem

Windows-Applikation

WinMain ( )Fenstererzeugung/Registrierungwhile (getmessage)

{ dispatchmessage }

Nachrichten-warteschlange

Hardwareereignis (z.B. Mausklick)

Kodierung und Ablage als Nachricht

Fenster mit Callbackfunc.WndProc zur Reaktion auf Ereignisse

Fensterverwaltung(Sichtbarkeit / Ereigniszuordn.)

2.3.

0.

1.

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Die WinMain-Funktion

Funktionskopf der WinMain-Funktion:

int APIENTRY WinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow);

Erläuterungen: HINSTANCE- Handle auf Anwendungsinstanz - ermöglicht dem System

die eindeutige Zuordnung einer gestarteten Anwendung

PrevInstance- Handle der vorherigen Instanz, bedeutungslos ab WIN32 (immer NULL)

LPSTR lpCmdLine- Komandozeile (Zeichenkette) (entspricht: char*)

nCmdShow- legt fest wie die Anwendung gestartet wird (maximiert, minimiert etc.)


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Die Nachrichtenschleife von WinMain

Windows setzt jede Aktion des Benutzers in eine Nachricht um und speichert diese in einer Nachrichtenwarteschlange

Jede Anwendung muss diese Nachrichtenwarteschlange zyklisch abfragen.

while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0))

{ TranslateMessage(&msg); // Umsetzen von Tastatureingaben

DispatchMessage(&msg); // Verteilung an die Fenster

}


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Die Callback-Fensterprozedur

• Windows ermittelt für jede Nachricht den zugehörigen Empfänger in Abhängigkeit von der Sichtbarkeit

• An das Fenster (auch eine Taste oder Eingabeelement) wird über einen Callback eine bereits etwas entschlüsselte Nachricht gesendet:

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT uiMessage, WPARAM wParam, LPARAM lParam)

Erläuterung: hWnd- Fensterhandle des entsprechenden Fensters (= FensterID)

uiMessage- Nachrichtenkonstante in der Form WM_x (WM: Window Message)

-> ganze Zahl / vordefinierte Konstanten in Windows

wParam- 1. Parameter (Bedeutung abhängig vom uiMessage-Wert)

lParam - 2. Parameter (beide Parameter sind 32bit integer)

LRESULT – 32bit ganzzahliger Rückgabewert (normalerweise 0)


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Die Bearbeitung von Windows-Nachrichten Für jedes Fenster wird eine Fensterfunktion angegeben, die die einzelnen an das Fenster gerichteten Nachrichten verarbeitet. Das erfolgt meist mit einer CASE-Selektion.

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT uiMessage, WPARAM wParam, LPARAM lParam)

{ switch (uiMessage) { case WM_CLOSE: DestroyWindow(hWnd); return 0;case WM_DESTROY: PostQuitMessage(0); return 0; default: break;

} return DefWindowProc(hWnd, uiMessage, wParam, lParam);

}

Falls ein Nachrichtentyp nicht bearbeitet wird, erfolgt mit DefWindowProceine Übergabe zur Standardbearbeitung an Windows. Die dargestellte case-Mehrfachselektion kann als Vorlage für das Schließen und Beenden einer Windows-Anwendung übernommen werden.

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Vordefinierte Fensterklassen • Auf der graphischen Oberfläche können beliebig konfigurierte Fenster

platziert werden. Jedes Dialogfeld, jedes Eingabefeld, jede Schaltfläche und auch jedes Textfeld ist ein Fenster.

• Jedes Fenster besitzt eine Fensterklasse, welche in einer Struktur die grundsätzlichen Einstellungen des Fenster speichert. Sie enthält u.a. einen eindeutigen Namen, Informationen über Hintergrundfarbe, Menü, Verhalten beim Ändern der Größe etc. Anhand des Namens können beliebig viele Fenster ein und derselben Fensterklasse erstellt werden.

• Die Windows-API stellt einige vordefinierte Fensterklassen bereit, die wichtigsten davon sind:

edit Eingabefeld button Schaltfläche (auch Radio-feld)static für Textfeldercombobox Auswahlbox (z.B. bei Auswahl von Schriftarten) listbox Listenfeld


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Eintragungen in der Fensterklassen-Struktur

Bekanntmachen der Fensterklasse im Hauptprogramm:

WNDCLASS wndclass;wndclass.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW ;wndclass.lpfnWndProc = WndProc;wndclass.cbClsExtra = 0;wndclass.cbWndExtra = 0;wndclass.hInstance = fenst;wndclass.hIcon = LoadIcon(NULL, IDI_APPLICATION);wndclass.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_CROSS);wndclass.hbrBackground= (HBRUSH)

GetStockObject(LTGRAY_BRUSH);wndclass.lpszMenuName = NULL;wndclass.lpszClassName= szAppName;RegisterClassEx(&wndclass);


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Erzeugen eines Fensters f= CreateWindow(szAppName, //Name der Fensterklasse

"Fenster mit Sinus-Kurve", //FenstertitelWS_OVERLAPPEDWINDOW | //FensterstilWS_VISIBLE,100, //x-Wert linke obere Ecke200, //y-Wert linke obere Ecke300, //Fensterbreite300, //FensterhöheNULL, //VaterfensterNULL, //Menüfenst, //ProgrammzählerNULL); //zusätzliche Parameter

// Display the window to the userShowWindow(f, SW_SHOWNORMAL);UpdateWindow(f);


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Mausnachrichten

Alle Mausbewegungen werden als Nachrichten kodiert:

• WM_MOUSEMOVE- Maus wird bewegtWM_LBUTTONDOWN- Linke Maustaste wird gedrücktWM_LBUTTONUP- Linke Maustaste wird losgelassenWM_RBUTTONDOWN- Rechte Maustaste wird gedrücktWM_RBUTTONUP- Rechte Maustaste wird losgelassenWM_MBUTTONDOWN- Mittlere Maustaste wird gedrücktWM_MBUTTONUP- Mittlere Maustaste wird losgelassen

• Die Nachrichtenparameter enthalten die Koordinaten und weitere Infos.signed int xPos = LOWORD(lParam); //X-Koordinate signed int yPos = HIWORD(lParam); //Y-Koordinate

• Die Koordinaten sind relativ zum Fensterursprung (linke obere Ecke).

• Der Parameter 'wParam' besteht aus einer Kombination von Konstanten, die jeweils angeben ob eine weitere Taste gedrückt ist oder nicht.

R. Grossmann / P. Sobe

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MessageBox-FunktionDie Funktion MessageBox hat vier Parameter. Als Rückkehrwert wird der int Wert der Taste gesendet, die gedrückt wurde. Die Tastencodes sind definiert über IDOK , IDYES, IDNO, IDCANCEL usw.

Beispiel:if (MessageBox(hwnd,"Fenster schliessen","Nachricht",

MB_YESNOCANCEL|MB_DEFBUTTON2|MB_ICONQUESTION)==IDYES) { … }

Der 1.Parameter ist ein Fensterhandle (zu welchem Fenster gehört die MB). Der 2.Parameter stellt den Text der MB dar. Der 3.Parameter stellt den MB-Titel dar. Der 4.Parameter enthält die Buttons (max. drei möglich), den Button, der den Fokus erhält und ggf. Symbole zur Darstellung.Konstanten: MB_OK, MB_YESNO,MB_YESNOCANCEL,MB_IGNORERETRY

Fokus: MB_DEFBUTTONi i=1,2,3 (Button i erhält Fokus)

Symbol: MB_ICONQUESTION, MB_ICONINFORMATION, MB_ICONEXCLAMATION, MB_ICONHAND

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Das Graphic Device Interface (GDI)

Zum Ausgeben von Text und dem Zeichnen grafischer Elemente steht eine relativ leistungsfähige Bibliothek bereit – das Graphic Device Interface (GDI).

• Die GDI ist hardwareunabhängig. Ein Kreis wird sowohl auf dem Bildschirm als auch auf dem Drucker mit gleichen Befehlen gezeichnet. Die Unterscheidung erfolgt durch dem sogenannten Gerätekontext (Device Context – definiert in Datenstruktur HDC -Handle to Device Context) .

• Der Device Context muss vor dem Zeichen erzeugt und nach dem Zeichnenwieder freigeben werden (häufiger Fehler mit Ressourcenverbrauch):

HDC hDC = GetDC(hWnd); // Erzeugung des Device Context

/* --- Zeichenoperationen --- ... */ReleaseDC(hDC); // Freigabe des Device Context

hDC = NULL;


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Die Zeichenfunktionen der GDI

Die Grundfunktionen für das Zeichnen von Grafik und Text unter Windows sind:

• Rectangle(hDC, Left, Top, Right, Bottom) - zeichnet ein Rechteck in dem angegebenen Rechteck

• Ellipse(hDC, Left, Top, Right, Bottom) - zeichnet eine Ellipse in dem angegebenen Rechteck

• MoveToEx(hDC, X, Y, &pt) - setzt die Zeichenposition und speichert die alte in 'pt'

• LineTo(hDC, X, Y) - malt eine Linie von der aktuellen Zeichenposition zu dem angegebenen Punkt

• TextOut(hDC,X,Y,"text",count) - zeichnet einen Text auf den DC

• Polyline(hDC, Point, Anzahl) - Polygonzug, Point ist ein Punkt-Vektor, der die x-y-Koordinaten der Punkte des Polygons enthält; Anzahl gibt die Anzahl der Punkte im Vektor an


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Farben und Muster bei Zeichenfunktionen • Die Zeichenfunktionen enthalten keine Parameter für Farbe und Stil.

• Aus Effizienzgründen sind diese Parameter global einzustellen.

• Die Füllfarbe wird definiert mit einem Pinsel (Brush)

HBRUSH hBrush = CreateSolidBrush(RGB(0,255,0));// oder einer Farbkonstanten

• Die Linieneigenschaften werden definiert mit einem Stift (Pen)

HPEN hPen = CreatePen(Style, Width, cl);mit Style = PS_SOLID oder PS_DASH oder PS_DOT oder Kombinationen

• Sowohl Pinsel wie Stift müssen dem GDC bekannt gemacht werden und sollten nach Gebrauch wieder auf den alten Wert rückgesetzt werden:HBRUSH hOldBrush = (HBRUSH)SelectObject(hDC, hBrush );/* --- Zeichenoperationen --- ... */ DeleteObject(SelectObject(hDC, hOldBrush)); hBrush = NULL;

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Win32-Beispiel (1)

Win32 – Programmskelett, von Visual Studio automatisch erzeugt:#include "resource.h"…int APIENTRY _tWinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance,

LPTSTR lpCmdLine, int nCmdShow){

UNREFERENCED_PARAMETER(hPrevInstance);UNREFERENCED_PARAMETER(lpCmdLine);MSG msg;HACCEL hAccelTable;LoadString(hInstance, IDS_APP_TITLE, szTitle, MAX_LOADSTRING);LoadString(hInstance, IDC_UHRGRAFIK, szWindowClass, MAX_LOADSTRING);MyRegisterClass(hInstance); // hier wird das Hauptfenster angelegt und

// die WndProc()-Funktion angegeben

// Anwendungsinitialisierung ausführen:if (!InitInstance (hInstance, nCmdShow) ) // hier wird CreateWindow ausgerufenreturn FALSE;

…

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Win32-Beispiel (2)

Win32 – Fortsetzung Programmskelett:

// Hauptnachrichtenschleife: while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0)){if (!TranslateAccelerator(msg.hwnd, hAccelTable, &msg)){ TranslateMessage(&msg);

DispatchMessage(&msg);}

}return (int) msg.wParam;

}

Durch GetMessage(), TranslateMessage() und DispatchMessage() werden Ereignisse (z.B. Auswahl eines Menüpunkts, Mausklick in einen Fensterbereich) verarbeitet und an die Fensterfunktionen WNDProcweitergereicht. Für jedes Fenster kann eine solche Funktion programmiert werden, die dann anwendungsspezifische Aktionen umsetzt.

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Win32-Beispiel (3)


ATOM MyRegisterClass(HINSTANCE hInstance){

WNDCLASSEX wcex;wcex.cbSize = sizeof(WNDCLASSEX);wcex.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;wcex.lpfnWndProc = WndProc; // hier wird Fensterfunktion angegeben wcex.cbClsExtra = 0;wcex.cbWndExtra = 0;wcex.hInstance = hInstance;wcex.hIcon = LoadIcon(hInstance, ….wcex.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);wcex.hbrBackground = (HBRUSH)(COLOR_WINDOW+1);wcex.lpszMenuName = MAKEINTRESOURCE(IDC_WIN32_WIZARD);wcex.lpszClassName = szWindowClass;wcex.hIconSm = LoadIcon(wcex.hInstance, …return RegisterClassEx(&wcex);

}

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Win32-Beispiel (4)


BOOL InitInstance(HINSTANCE hInstance, int nCmdShow){

HWND hWnd;hInst = hInstance; // Instanzenhandle in der globalen Variablen speichern

hWnd = CreateWindow(szWindowClass, szTitle, WS_OVERLAPPEDWINDOW,CW_USEDEFAULT, 0, CW_USEDEFAULT, 0, NULL, NULL, hInstance, NULL);

if (!hWnd)return FALSE;

ShowWindow(hWnd, nCmdShow);UpdateWindow(hWnd);

return TRUE;}

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Win32-Beispiel (5)


LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)

{ int wmId, wmEvent;PAINTSTRUCT ps; HDC hdc;switch (message){case WM_COMMAND: // typisch für Menüauswahl-Ereignisse

wmId = LOWORD(wParam);wmEvent = HIWORD(wParam);switch (wmId) // Menüauswahl bearbeiten:{ case IDM_ABOUT: DialogBox(hInst, …); break;case IDM_EXIT: DestroyWindow(hWnd); break;default:

return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);}

break;…

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Win32-Beispiel (6)


…case WM_PAINT: // ausgelöstes Ereignis, wenn Fenster erscheint

hdc = BeginPaint(hWnd, &ps);// Hier den Zeichnungscode hinzufügen.EndPaint(hWnd, &ps);break;

case WM_DESTROY:PostQuitMessage(0);break;

default:return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);

} // end switch message

return 0;}

6 betriebssystem win32 - htw- · pdf filedie windows-api (win32) um windows-programme mit...

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