JCad:使用Swin岁Java2。开发矢量图形应用程序 王挺昊 摘 要:本文结合作者开发的CAD程序JCad介绍了利用Swing及Java2D开发矢量图形应 用程序的方法.使用该方法不但大大简化了应用程序的开发复杂度，同时更可以充分 Java2D 及 Swing的一些良好特性使应用程序达到更好的可扩展性，可集成性，可移植性.同时，本文 具体介绍了整个程序的从分析到实现的过程，并对该过程电的若干具体问题做了讨论 关键字:Swing, Java 2D,Vector-based Graphics 传统的矢量图形应用程序主要使用依赖于 Win32API,Xlib等 GUI工具提供的简单绘图 功能，如画线，画圆等。这些功能对一个完整的矢量图形应用程序是远远不够的，现有的软 件多是自己进行了大量的工作对绘图功能进行扩充，同时 GUI工具提供的绘图功能多采用 函数调用的形式，即使用输入参数 (如点坐标等)进行函数调用的形式，这样在消息循环的 更新函数中需要调用大量的绘图数据并大量地进行函数调用。这样的方式对于整个程序的结 构和设计模式都具有较大地负面影响。 Swing/Java2D API及Gnome/GnomeCanvas[9]等新一代GUl类库出现彻底改变了这一状 况，不但提供了强大的绘图功能，同时实现了一套全新的绘图模式。本文对 Java2D 的设计 思想和绘图模式做一简单介绍，后结合开发实际，介绍了利用 Java2DlSwing开发一完整的 工程图绘制系统((2D CAD)的程序结构，设计模式及具体实现。最后，对开发过程中遇到的 问题和对使用Java2D API/Swing的体会作一总结和讨论。 1. Java2D API简介及与传统绘图API的比较 Java2D API是Sun公司在Java2中提供了的绘图API，与awt紧密结合，不但可以完成复杂图 形及图象的绘制，更体现了全新的设计思想，下面我们通过一简单绘图过程对 Java2D 及传 统的绘图API〔以MFC为例)做一简单比较，在MFC中整个绘图过程通过对CDC类的成 员函数的调用来实现，如我们需要绘制一最简单直线及一圆弧，需要使用MoveTo和LineTo 两个函数，应用如下代码段 Void CmyView:inito { x一乡’ X I一 ‘。。 } void CMyvew::OnDraw(CDC" PDC) PDC->MoveTo(0,0); 

! t . . l es u 卜 ! L 卜 卜 . r f f .L 豁 卜 f . 卜 1 七 卜 勺 卜 杭 找 洲 卜 协 卜 峪 J 卜 卜 pDC->LineTo(xl,x2); pDC->Arc(.......... );11G个参数 } 个绘制参数，并调用三个不同的函数来完成绘制过程。 这样我们需要在绘制前中设定8 View的分离，所有图形的绘制都只通过对Graphics2D对象 而在 Java2D中实现了Model与 的成员函数 draw·的调用来实现，应用程序只要建立图形对象并实现(implements)Shape接口 既可在paint(awt Component)或paintComponent(SwingComponent)中通过对draw的调用来完 成各种各样的图形绘制。使用Java2D API完成相应的功能代码如下 Line2D line; Arc2D arc; void initQ { line = new Line2D(0,0,xl,yl); arc = new Arc2D(.); ) void paintComponent(Graphics g) 笼 Graphics2D G2=(Graphics2D)g; G2.draw(line); G2.draw(arc); } 这样我们只需要在绘制前建立两个对象即可 形需要绘制，我们只需使用Array或LinkedList Iterator来反复调用同一 draw方法即可完成。 要自己设计相应的类并实现Shape接口即可。 一个对象。由这个简单的例子我们可以看到 ，同时设想如果我们有大量的各种各样的图 等对象来保存这些图形对象，我们只要使用 再设想我们如果需要绘制更复杂的实体，只需 再进一步，我们可以将整个矢量图形设计成为 Java2D不但提供了易用的接口，还提供了一个 .这样我们可以通过对该框架的扩展来实现我们需要 可扩展的绘图系统的框架(FrameWork) 的几乎任何图形的绘制功能 由上面的简单例子我们可以看到， Java2D API的设计思想与 是通过框架的设计实现了Model,View,Control的分离，为整个API的扩展性，FUMITNWN 的易读性打下了良好的基础。同时，Java2D还提供了图形变换，图象处理，字体(Text),SVG 输出等一些强大功能。这些特征及功能也是当前桌面应用程序和GUI的发展方向. 2.现有解决方案简介 当前市场上流行的工程图绘制解决方案的开发多开始于七八十年代 是利用 Win32APi或 Xlib等底层 GUI库进行了大量的封装工作后形成， ，主要的技术路线 商业解决方案主要 拜一— 一蘸颧潺撇毅 

有Autodesk公司的AutoCAD和Bentley公司的Microstation。以上软件多成型于八十年代， 主要采用C/C++语言编写。经过长时间的发展完善，功能已很强大，使用也非常方便，但从 现在看来。主要有以下一些不足: . 移植较差，由于以上解决方案多依赖于特定平台的 GUI库，进行跨平台移植将很 困难或根本不可能，如AutoCAD基于MFC类库，只可以在 Windows平台上运行。 . 可集成性差，信息技术的迅速发展使应用程序的可集成性成为一个重要因素，而 由于以上的商业解决方案的技术路线较陈旧，添加基本的网络和数据库支持均不 方便，进一步通过CORBA等进行集成也十分困难。 . 开放性不佳且开发成本过高，使用专门的数据格式。开发接口，甚至 GUI界面， 用户使用或进行二次开发需要学习相应的专用的界面及开发库。 开放软件的解决方案有QCad[5],freedraft[7]，主要采用C什语言编写，虽然部分克服了商业解 决方案的开放性问题，但并未解决以上所述的其他局限性。而且，由于工作量问题，这些方 案在界面和易用性方面并不如人意。 以上的一些弱点，成为现有解决方案继续发展的瓶颈。 3. JCad简介 由于Java的先天优势，如利用Java 2D/Swing等技术实现一2D CAD系统，以上问题即 可迎刃而解。于是作者便萌生了利用Java 2D/Swing实现一2D CAD系统(JCad[8])的想法。 首先，由于Java的”write once, run anywhere'特性使得JCad能够在几乎所有的平台上运行并 保持对用户保持一致。其次，使用进行数据库网络的连接或提供CORBA等接口都非常方便。 Swing的强大功能使得友好的拥护界面的创建变的较容易。最后，Java平台良好的体系结构 将为该项 目的可扩展性，可维护性，打下良好的基础。 同时，JCad主要使用通过和开放的标准。如DXF,SVG等，并以开放源码的形式提供了 最大的开放性。目前，该项目基本结构和功能已完成，正在完善之中。 4.系统设计及实现 通过对现有解决方案的考察和对发展趋势的分析。该系统应能完成以下的基本功能为 工程图的编辑。同时应具有如下的特性: . . … 使用 100% Pure Java及Swing及】ava2D API. 支持DXF格式文件的输入输出及HPGL,SVG,EPS等矢量文件格式的输出 用户可方便地进行工程图绘制其其他扩展功能 所有操作通过一统一界面提供，用户无须使用命令行或进行模式转换 具有良好的可扩展性，提供多种方式 ((jar classscript )以方便用户定制或添加功能 由以上所述并参考「21中的经验，JCad的类结构可简单描述如下: — 一一 礴 从撇蘸睦摇夔戳翻川_ r 食 t 毯 膝 蛋 曹 蛋 蛋 阵 甚 玲 份 昔 ‘ ‘ 落 玲 r 答 思 苍 荟 健 1! 1 奋德喂套‘tl 冬 雀 ‘ 腹 卜 卜 L ‘有t 旅卜 套 ! 1 艰‘ 异 t ‘ t ‘币 r . 夕 

图一 JCad结构设计 如上图所示，JCad类包含了该程序的main入口及用户界面构建代码，而JCadGraph接口 保存了工程图中的所有信息。包括所有绘图元素，层、线形等信息。而不同格式的文件只需 要继承该接口并实现相应的方法即可，为系统的可扩展性打下了良好的基础。所有图元均采 用了Java 2D的统一Shape接口，这样既可以直接使用Java 2D提供的Line2D,Arc2D等图形 对象，又可以通过对该Shape接口的实现提供新的图形对象或更高级的图形对象。 JCad中的所有操作都通过继承Swing的AbstractAction实现，放入一个数组中保存，通 过 ActionName可以获得相应的Action，从而可以实现界面的动态创建，即程序界面可通过资 源文件来配置。 此外，Listener的机制也为处理鼠标事件提供了很大的方便，简化了动态捕捉等复杂功 能的实现。也为各种不同功能模块的分离奠定了良好的基础。 目前该项目已实现了基本的图元绘制和修改等功能，其他功能正在完善之中下图为JCad 界面 图二 JCad程序界面 

5. 实现中的其他问题及讨论 撤消I重做 (Undo/Redo)支持，实现 Undo/Red。是桌面程序的基本功能之一，一般实 现的方法是通过将所有的操作对象化并存储在一 LIFO栈中，通过栈指针的移动实现，具体 原理在[[3】中有详细论述，Swing通过提供一系列的对象及接口提供了对 Undo/Red。的支持， 这样大大方便了桌面程序的开发。 具体使用方法为在程序中放置一唯一的 UndoManager对象，将各种操作通过实现 UndoableEdit接口进行对象化。在进行可撤消的操作后将该操作的对象放入 UndoManager 对象后即可通过对UndoManager相应方法的调用实现Undo/Red。功能。 Java2通过 ResourceBundle的方法实现了 il 8n支持，只要提供了不同Locale下的资源 文件，Java2会根据用户不同的 Locale来使用相应的资源文件。但 Java中所有的字符都是 采用 Unicode，所以对于中文来说需要在资源文件输入 Unicode编码。这样对开发者来说有 一些不便 。 同时Swing对消息的处理采用Listener接口的方式，对开发者来说非常方便且直观，避 免了采用消息分派或相应方式所带来的开发的复杂性。 Script功能正通过jpython进行实现。 综上所述，在开发 JCad的过程中，笔者体会到了Java2的诸多优点，个人认为 Swing 及 Java2D确实代表了今后图形桌面应用的发展方向。仅从代码长度来看，通过与相似的解 决方案[41的比较。一般来说，实现同样的功能，使用 Java2要比使用 C++(QT)代码长度少 50% a 目前，JCad的运行效率比使用 C++的解决方案要低一些，将来随着优化算法的增加和 整个硬件性能的提高将会得到解决。 参考资料: [1] J. M. VLISSIDES,M. A. LINTON: Unidraw: A Framework for Building Domain-Specific Graphical Editors ACM Transactions on Information Systems, Vol. 8, No. 3, July 1990 冈 [31 Mark Priestley: Practical Object-Oriented Design with UML McGraw-Hill Companies,lnc. Erich Gamma Richard Helm Ralph Johnson John Vlissides设计模式一可复用面向对象软杯的基础机 械工业出版社 [4]伍样生，王克宏 java 2D API技术及其实现方法 中国图象图形学报19”年。8期 [5] Andrew Munstun The Ocad Project bpp:Ilwww.Qcsd.ore [6] The Jpython group The Jpython Project [ntp-llwwwip ho ora 闭 The freedraft group The freedraft Project htto-lAvwwfreeeneineer.ore 田 Wang Tinghao The JCad Project b9parcad.enuchinaore 侧 The Gnome .myp叫 The Gnome卫r41=曲tr叨:^;^w gnome.ore 33吕 几 一1 下下甲一翼藐{酬熬 }薪万 下 食 畜 蕉 蛋 哇 . 卫 谁 旅 甚 膝 崔 崖 . . . 腾 ‘ 耀 万 形 膝 ‘ 嘴 1 ‘ 争 ， f ‘ 峻 睡 感 ‘ ‘ . ‘ 暇 ‘ 阵 r! t t 慈 f f ‘ ‘ 于 t 解 毛 ! t 卜 仁 阵 ‘! ‘卜‘肠... 卜 1 百 .! 诊. 少