一个程序员应该怎样学会编写带GUI的程序？

这是一个关于GUI如何绘制，以及是怎么绘制的问题。

什么是GUI？

图形用户界面，英文为Graphical User Interface，简写为GUI。

众说纷纭，有人列举了许多实现GUI界面的类库，例如C++的QT、MFC，Python的Tkinter等。但是这些类库是如何显示的呢？归根结底，它们都是在计算机屏幕上显示信息，那么计算机是如何绘制屏幕的呢？

计算机是如何绘制屏幕的？

计算机把内存中的内容输出到屏幕上，这个操作叫渲染。现代计算机有一个专门的关键部分，用于完成渲染工作，它就是GPU（Graphics Processing Unit）。

我们在屏幕上看到的动画或视频，是单一的一帧一帧画面重复绘制的结果。每一帧渲染主要分为六步：

• 顶点着色器（Vertex Shader）：顶点着色器主要的目的是把 3D 坐标转为另一种 3D 坐标。
• 形状装配（Shape Assembly）：将所有的点装配成指定图元的形状。
• 几何着色器（Geometry Shader）：把图元形式的一系列顶点的集合作为输入，通过产生新顶点构造出新的图元来生成其他形状。
• 光栅化（Rasterization）：该阶段会把图元映射为最终屏幕上相应的像素。
• 片段着色器（Fragment Shader）：对输入片段进行裁切（Clipping）。裁切会丢弃超出视图以外的所有像素，用来提升渲染效率。
• 测试与混合（Tests and Blending）：该阶段还会检查 alpha 值。

完全理解这六个步骤稍微有点困难。大概可以这么理解：CPU送给GPU需要渲染的画面数据，是立体的，就像重叠的窗口一样，是一个立体、有重叠和覆盖性质的内容；GPU收到这些数据以后，先建点连线，构建3D图形，然后在屏幕上投影，将3D图形转化为2D图形，最后裁掉屏幕以外的部分，将像素绘制出来。

GPU本质上绘制的是像素。屏幕上每个像素可以看作是一个带颜色控制的小灯泡，GPU频繁控制这些灯泡的明灭暗淡，以此完成复杂的画面渲染。

程序是如何调用GPU的？

既然屏幕绘制工作是GPU完成的，那么在系统里，软件是如何调用GPU的呢？

无论是什么系统，软件是不能直接控制GPU的。软件向系统发出控制请求，系统通过设备驱动控制特定的计算机设备。驱动全称是设备驱动程序，是添加到操作系统中的特殊程序。驱动中包含有关硬件设备信息，以及设备控制指令。厂商生产了硬件设备，只有厂商自己发布的设备驱动才知道如何控制设备。

计算机或其它程序软件没有办法直接控制某个驱动，只有设备驱动可以。驱动在计算机中的地位，就好比归附的山寨军队的山大王。要指挥山寨，必须通过山大王发号施令，直接安排是不好使的。

图源：snappygoat.com

Windows、Mac和Linux，是最常见的操作系统。这些系统的实现是有差异的，显卡之间也有差异，如何消减软件间接调用GPU的差异呢？为此程序员发明了OpenGL。

图源：www.kissclipart.com

OpenGL是Open Computer Graphics的简写，是图形学研究人员和程序员以图形学的渲染理论为基础，实现的底层图形算法库。OpenGL封装了不同操作和不同显式驱动之间的差异，让不同软件可以使用一套统一的接口控制屏幕绘制。用稍为正式语句表达，OpenGL是用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口（API），由近350个不同的函数组成。这些函数并不是天生被支持的，OpenGL对显卡的支持是依赖于版本更新。OpenGL像一个适配的插头，处在软件和系统之间。

OpenGL作为一个开放图形库，并不是唯一的。微软的DirectX与它具有相似的功能。

编程语言如何绘制界面？

在屏幕上绘制图形和文本的原理是相同的，本质上计算机没有文本，文本也是一个个字符编码对应的字符图像。计算机绘制文本，是拿字符编码先在字体库中找到对应的矢量图形或位图图形，再将图形绘制到屏幕上。

编程语言在屏幕上完成绘制，很少有直接调用显卡驱动的，一般都是通过一个通用的图形类库，间接调用一个或几个图形驱动库（OpenGL或DirectX）完成的。不同语言有不同的图形类库。

1，C++语言

Filament：https://github.com/google/filament

Filament是谷歌推出的，开源的，一个实时的基于物理的渲染引擎，适用于Android, iOS, Linux, macOS, Windows和WebGL（浏览器）。它被设计得尽可能小，在Android上尽可能高效。Filament底层引用了OpenGL。

下面它的渲染效果：

图源：https://github.com/google/filament

CEF：https://github.com/chromiumembedded/cef

CEF是Chromium Embedded Framework的简写，它可以将一个浏览器内核嵌入到软件中。

2，C语言

Glfw：https://github.com/glfw/glfw

GLFW是一个开源的，跨平台GUI类库。它提供了简单的方法，用于创建窗口、读取输入、处理事件等。

3，Java语言

Gephi：https://github.com/gephi/gephi

Gephi是一个用于可视化和处理大型图形的开源平台，它可以在Windows、Mac OS X和Linux上运行。

图源：https://github.com/gephi/gephi

4，Go语言

G3N：https://github.com/g3n/engine

G3N是一个用Go语言编写的跨平台的OpenGL 3D游戏引擎。

但是这些类库太过庞大复杂，对于我们创建简单的UI界面没有实质性的帮助。我们需要使用UI组件库，帮助我们创建常见的UI，例如一个按钮，一个下拉框，一个窗体等。

有哪些UI组件库可以直接使用？

1，C语言

Nuklear ⭐️⭐️⭐️

https://github.com/vurtun/nuklear

2，Go语言

https://github.com/therecipe/qt：Go语言版本的QT类库。

3，Python语言

Tkinter： Tkinter 模块是 Python 的标准 Tk GUI 工具包的接口。Tkinter的窗体及按钮效果：

图源：https://www.runoob.com/

wxPython

wxPython 是一款开源软件，是 Python 语言的一套优秀的 GUI 图形库。

PySimpleGUI ⭐️⭐️⭐️

https://github.com/PySimpleGUI/PySimpleGUI

代码：

import PySimpleGUI as sg                        # Part 1 - The import

# Define the window's contents
layout = [  [sg.Text("What's your name?")],     # Part 2 - The Layout
            [sg.Input()],
            [sg.Button('Ok')] ]

# Create the window
window = sg.Window('Window Title', layout)      # Part 3 - Window Defintion
                                                
# Display and interact with the Window
event, values = window.read()                   # Part 4 - Event loop or Window.read call

# Do something with the information gathered
print('Hello', values[0], "! Thanks for trying PySimpleGUI")

# Finish up by removing from the screen
window.close()                                  # Part 5 - Close the Window

效果：

4，.Net（C#、VB等）

https://dotnet.microsoft.com/apps/aspnet

微软自搞了一套同时支持窗体、HTML页面、终端应用开发的.Net框架。使用VS可以实现拖拉式UI编程。

5，C++语言

Elements C++ GUI library ⭐️⭐️⭐️

https://github.com/cycfi/elements

ImGui

https://github.com/ocornut/imgui

代码：

ImGui::Text("Hello, world %d", 123);
if (ImGui::Button("Save"))
    MySaveFunction();
ImGui::InputText("string", buf, IM_ARRAYSIZE(buf));
ImGui::SliderFloat("float", &f, 0.0f, 1.0f);

效果：

6，JavaScript & Html & CSS3

浏览器在系统中是一类特殊的软件，因为它依赖于浏览器引擎，可以解析执行js & html代码。有三个主流的UI类库，可以帮助我们在浏览器宿主环境中开发界面：

• React：https://zh-hans.reactjs.org/
• Vue：https://cn.vuejs.org/v2/guide/
• Bootstrap：https://www.bootcss.com/
• ElementUI：http://element.eleme.io/

7，微信小程序⭐️⭐️⭐️

https://developers.weixin.qq.com/miniprogram/dev/component/

微信小程序本质是基于浏览器内核渲染的，它的WXML标签是微信团队自创的。在微信小程序中，主要使用js语言。官方文档上提供了完备的组件及API，实现常见UI功能都比较容易。

除了官方组件，微信团队还提供了一个WeUI扩展组件库。

结论

最后总结一下，在计算机中，CPU负责计算，渲染是通过GPU完成的，操作系统（Mac、Windows and Linux）通过OpenGL或DirectX底层图形库实现对GPU的控制。不同编程语言，通过对OpenGL等底层图形库的封装，都有一些具体的图形引擎库，一般这些引擎库也是游戏引擎库。与此同时，为了方便业务应用开发，不同编程语言也实现了不同的UI组件库，默认实现了像按钮、下拉框、窗体等控件，可以直接使用。

浏览器是一类特殊的系统软件，它可以解析执行js、html标签代码。通过html、css3、js可以快速开发出好看易用的页面。也有UI组件库可以帮助程序员更快地完成开发。微信小程序与之类似。

如果程序员想以代码的形式开发GUI界面，依据语言不同，有不同的选择：

• 如果是C语言，适合用Nuklear
• 如果是C++语言，适合用Elements C++ GUI library
• 如果是Go语言，适合用therecipe/qt
• 如果是Python，适合用Tkinter
• 如果是JS，用Vue+Bootstrap+ElementUI最为简单
• 如果是小程序，用官方组件+WeUI组件
• 如果是C#，直接用.Net Framework就可以了

但是，每个语言都有自己擅长做的事情，后端语言写UI一般都是不太合适的。像Python语言，适合做数据抓取、分析，UI并非其长项；像Go语言，适合开发高并发、高吞吐的后端数据应用，UI并非其长项；像C语言，当下适合做嵌入式、物联网开发，UI也并非其长项；像C++语言，传统类库丰富，适合维护旧系统老软件，直接写UI也并非其长项，C++写界面必须依据业务需求基于某个成熟的UI组件库完成。

当下写PC软件，一种流行的做法是基于Electron框架开发。Electron是一个浏览器框架，可以将浏览器嵌入到软件中，使用Html & CSS3 & JS这些成熟的页面技术开发UI界面，同时也可以调用系统资源，做一些js不能做的事情。

学习反馈要及时，初学者学习编程，以前最好的入门语言是AS3，现在最好的入门技术是微信小程序。微信小程序的主要编程语言是js，有完整的UI组件，和丰富的平台接口，入门门槛低，非常合适初学者入门学习。

但是js这门语言太过简单，单线程，不涉及线程问题、内存问题等复杂问题。在学习微信小程序开发的同时，最好同时学一门后端语言，Go语言是最好的选择。

开发GUI应用，最方便的是使用前端技术（Vue、React或微信小程序都可以）。依赖CSS3丰富的表现能力，加上热加载技术，UI修改及时呈现，特别方便程序员开发出漂亮的UI界面。

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我讲明白没有，欢迎留言讨论。