Closures as Win32 Window Procedures

2025年12月12日

nullprogram.com/blog/2025/12/12/

2017 年に、JIT コンパイルされたラッパーを使って C でクロージャを作る技術について書きました。実際のプログラムではあまり必要になることは少なく、面白いものの、頻繁に思い出す機会がありませんでした。今回の投稿では、

qsort

に対してこの手法を適用し、残念ながらコンテキストポインタを受け取れない点が問題になっていました。実際には

qsort

は単なるデータのみで動作しますので、より実用的な使い道としては「カスタムアロケータのインタフェースが不十分な場合に、ランタイム時に特定の領域へ割り当てる関数を作ってくれれば…」というシナリオです。これまでの経験から得た知見を活かしつつ、最近の記事で再度検討した内容や、以前よりも改良できそうな点をまとめました。

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Win32 ウィンドウプロシージャの拡張

Win‑32 の ウィンドウプロシージャ では、

LRESULT (???) 

というように全ての **先頭の四つのパラメータ―が全て 前後から…? ……　

We need to translate the entire article into Japanese, maintaining length. Provide a faithful translation.

Let's produce Japanese version.2025年12月12日

nullprogram.com/blog/2025/12/12/

2017 年に、JIT コンパイルされたラッパーを使って C でクロージャを作る技術について書きました。実際のプログラムではほとんど必要になることはなく、面白いものの頻繁に思い出す機会がありませんでした。今回の記事では、その手法を

qsort

に適用した経験を書いており、残念ながら

qsort

はコンテキストポインタを受け取れない点が問題になっていました。実際には単なるデータだけで動作するため、より実用的な使い道としては「カスタムアロケータのインタフェースが不十分な場合に、ランタイム時に特定の領域へ割り当てる関数を作ってくれれば…」というシナリオです。これまで得た知見と、最近読んだ記事で再考した内容や、以前よりも改良できそうな点をまとめました。

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Win32 ウィンドウプロシージャの拡張

Win32 の ウィンドウプロシージャ は次のように宣言されます。

LRESULT Wndproc(
    HWND hWnd,
    UINT Msg,
    WPARAM wParam,
    LPARAM lParam);

ウィンドウを作るにはまず

RegisterClass

でクラスを登録し、そこに関数ポインタを渡します。

MyState *state = …;

RegisterClassA(&(WNDCLASSA){
    /* … */
    .lpfnWndProc   = my_wndproc,
    .lpszClassName = "my_class",
    /* … */
});

HWND hwnd = CreateWindowExA("my_class", …, state);

スレッドは OS からのイベントでメッセージ・プンプを走らせ、これをプロシージャにディスパッチします。プロシージャはその中でプログラム状態を操作します。

for (MSG msg; GetMessageW(&msg, 0, 0, 0);) {
    TranslateMessage(&msg);
    DispatchMessageW(&msg);   // ウィンドウプロシージャが呼ばれる
}

WNDPROC

の 4 つの引数は Win32 が決めており、コンテキストポインタを渡す仕組みはありません。従来、次の二通りで状態にアクセスしていました。

• グローバル変数 – 汚いが簡単；チュートリアルでよく見かけます。
• GWLP_USERDATA – ウィンドウに添付したポインタです。

後者はセットアップが必要です。Win32 は

CreateWindowEx

の最後の引数を、ウィンドウ作成時に

WM_CREATE

でプロシージャへ渡します。そのポインタは

CREATESTRUCT

を介して間接的に渡され、最終的には次のようになります。

case WM_CREATE:
    CREATESTRUCT *cs = (CREATESTRUCT *)lParam;
    void *arg = (struct state *)cs->lpCreateParams;
    SetWindowLongPtr(hwnd, GWLP_USERDATA, (LONG_PTR)arg);
    /* … */

その後は

GetWindowLongPtr

で取り出せます。毎回この手順を経ると、もっと良い方法がないかと思ってしまいます。もし「ウィンドウプロシージャに第 5 引数を設けてコンテキストを渡す」ことができれば…という妄想です。

typedef LRESULT Wndproc5(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM, void *);

ここではそのようなトランスペリ―（トンネル）を作るだけにします。x64 の呼び出し規約は最初の 4 引数をレジスタで、残りをスタックへ押し込みますが、新しい引数も同じくスタックに入ります。トランスペリ―は単に余分なパラメータをレジスタに置くわけではなく、実際にスタックフレームを構築します。少し手間ですが、それほど難しくはありません。

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実行可能メモリの確保

前回の記事や今回使ったプログラムでは

VirtualAlloc

（または他環境なら

mmap

）で実行可能領域を確保していました。この方法だと、コードやデータから 2 GB を超えて離れた場所に割り当てられることがあり、相対アドレスで参照できなくなる問題があります。そこでより良い解決策として、ローダーから書き込み可能かつ実行可能なメモリブロックを取得し、その中でトランスペリ―を確保します。この領域は「実行可能」以外に特別な性質はなく、通常の割り当てと同じように扱えます。ローダー経由で確保すれば、ロード済みイメージ内にあるためほぼ常に近い位置にあり、JIT コンパイラは小さなコードモデルを仮定できます。

GNU 系ツールチェインで COFF をターゲットにした場合の一例です。

.section .exebuf,"bwx"
.globl exebuf
exebuf:   .space 1<<21          # 2 MiB の writable/executable メモリを確保

このアセンブリは

.exebuf

というセクションに 2 MiB を割り当てます。C 側では次のようにして取得します。

typedef struct {
    char *beg;
    char *end;
} Arena;

Arena get_exebuf(void)
{
    extern char exebuf[1<<21];
    Arena r = {exebuf, exebuf + sizeof(exebuf)};
    return r;
}

サイズを自分で書くのは面倒ですが、これだけ簡単に済みます。GCC のセクション属性で配列を定義したいところですが、その属性ではセクションフラグを設定できません。C コンパイラが GNU 系でなくても動作し、

exebuf

を含む小さな COFF オブジェクトを生成するだけなら十分です。

また、以下に必要となる他の基本定義もまとめておきます。

#define S(s)            (Str){s, sizeof(s)-1}
#define new(a,n,t)      (t *)alloc(a, n, sizeof(t), _Alignof(t))

typedef struct {
    char     *data;
    ptrdiff_t len;
} Str;

Str clone(Arena *a, Str s)
{
    Str r = s;
    r.data = new(a, r.len, char);
    memcpy(r.data, s.data, (size_t)r.len);
    return r;
}

これらは前回の記事で詳しく説明しています。

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トランスペリ―・コンパイラ

ここからは、

Wndproc5

とバインドするコンテキストポインタを受け取り、従来の

WNDPROC

を返す関数を作ります。

WNDPROC make_wndproc(Arena *a, Wndproc5 proc, void *arg);

ウィンドウプロシージャは次のように第 5 引数で状態を受け取ります。

LRESULT my_wndproc(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM, void *arg)
{
    MyState *state = arg;
    /* … */
}

クラス登録時には、

RegisterClass

に渡す関数ポインタとしてトランスペリ―を返します。

RegisterClassA(&(WNDCLASSA){
    /* … */
    .lpfnWndProc   = make_wndproc(a, my_wndproc, state),
    .lpszClassName = "my_class",
    /* … */
});

このクラスを使うウィンドウは、すべて第 5 引数で状態オブジェクトにアクセスできます。実際には

exebuf

の設定が最も手間でした；

make_wndproc

自体はとてもシンプルです。

WNDPROC make_wndproc(Arena *a, Wndproc5 proc, void *arg)
{
    Str thunk = S(
        "\x48\x83\xec\x28"      /* sub   $40,%rsp */
        "\x48\xb8........"      /* movq  $arg,%rax */
        "\x48\x89\x44\x24\x20"  /* mov   %rax,32(%rsp) */
        "\xe8...."              /* call  proc */
        "\x48\x83\xc4\x28"      /* add   $40,%rsp */
        "\xc3"                  /* ret */
    );
    Str r = clone(a, thunk);
    int rel = (int)((uintptr_t)proc - (uintptr_t)(r.data + 24));
    memcpy(r.data+6, &arg, sizeof(arg));
    memcpy(r.data+20, &rel, sizeof(rel));
    return (WNDPROC)r.data;
}

アセンブリは呼び出し側のスタックフレームを作り、シャドウスペースと新しい引数用領域を確保します。コンテキストポインタと 32‑ビット符号付き相対アドレス（

call

のオフセット）をパッチします。手動でオフセットを計算している点が唯一残念です。

トランスペリ―のポインタを保持すれば、いつでもコンテキストポインタを書き換えることができます。

void set_wndproc_arg(WNDPROC p, void *arg)
{
    memcpy((char *)p + 6, &arg, sizeof(arg));
}

例としては次のように使います。

MyState *state[2] = …;          /* 複数状態 */
WNDPROC proc = make_wndproc(a, my_wndproc, state[0]);
/* … */
set_wndproc_arg(proc, state[1]);   /* 状態を切り替える */

最もよくあるケースは複数のプロシージャを作ることです。

WNDPROC procs[] = {
    make_wndproc(a, my_wndproc, state[0]),
    make_wndproc(a, my_wndproc, state[1]),
};

トランスペリ―は Control Flow Guard（CFG）ポリシーが有効な状態でも動作します。スタックアンウィンドンエントリが無いので、Windows が制御を渡すのを拒否することはないと考えています。

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より実用的なケース

GWLP_USERDATA

を使うより手間がかかりますし、実際のプログラムではウィンドウプロシージャの数は小さく固定（ほぼ 1 個）です。したがって最適な例とは言えませんが、実際に役立つ場面を示しました。例えば弱いカスタムアロケータインタフェースを持つライブラリの場合：

typedef struct {
    void *(*malloc)(size_t);   /* コンテキストポインタなし！ */
    void  (*free)(void *);
} Allocator;

void *arena_malloc(size_t, Arena *);

Allocator perm_allocator = {
    .malloc = make_trampoline(exearena, arena_malloc, perm),
    .free   = noop_free,
};

Allocator scratch_allocator = {
    .malloc = make_trampoline(exearena, arena_malloc, scratch),
    .free   = noop_free,
};

将来に備えてこの手法をメモしておきます。