（计算机应用技术专业论文）面向网络的图形编辑技术及其可重用性研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 传统的图形编辑系统通常只处理静态的图形绘制及其编辑，往往没有考虑到网 络化时代企业对信息的处理需要一个面向网络应用而不仅仅是单机使用的图形支撑 系统。监控系统、仿真系统、电网管理系统等应用系统需要实时地以图形图像的方 辑系统扩展到企业网络应用中。 不同领域的图形绘制和编辑不尽相同，但在操作和属性设置方面又具有许多共 同的特征。提高图形编辑软件可扩展性和应用范围有着重大的意义，解决这个问题 n 的一个重要途径是采用软件重用技术扩研究过程中，通过系统框架，设计模式，软 构件，目标代码等多个层次的重用技术相结合，以基于面向对象的分析和设计方法 设计并实现了一重用性良好的电力图形编辑系统。 通过研究c o m n i a n d 模式的思想，提出了一种差异式检查点算法，建立对所有 命令的综合管理体系，可以实现一套功能强大，适匣性良好的撤销重敛机制。 c o 儿蝌d 模式是对象行为模式的一种，通过将一个请求封装为一个对象，从而可 r _ 一 。 用不同的请求对客户进行参数化，对请求排队或记录请求日志，i 在图形编辑系统这 、一一一7 、一、 样人机交互性很强的系统中，用户的各项操作不可能一步到位，因此撤销重做显得 非常重要。为用户提供一种机制，对所执行的操作进行无缝撤销重做，随时恢复到 指定的某一步操作时的系统状态，是提高图形编辑系统友好性，简化操作的有效途 径l ) 美鬟词：匿形编辑技术；丽向网络：软件重用；撤销重敏 机 ，编种现形某发图以究将内研、以网文可 业题 ，企问合在的结够决相能解布要以发还难络，统网改系与修辑辑态编编动形的况图形情统图际传将 实是 ， 据尝一型根这模 并 ，能，布功态发和状和型前递模 当传络的的网 统息的系信当一不现适 显实立 式制建 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a d i t i o n a lg r a p h i c se d i t i n gs y s t e m s u s u a l l yo n l yd e a l i n gw i 也t h es t a t i cg r a p h i c s d r a w i n ga n de d i t i n g ，h a v en o tc o n s i d e r e d t h a ti nn e t w o r ke r at h et r e a t m e n to f i n f o r m a t i o nn e e d sag r a p h i cs u p p o r t i n gs y s t e ms e r v i n gf o rn e t w o r k o r i e n t e ds y s t e m s ， n o tf o rs i n g l em a c h i n e s o m ea p p l i c a t i o ns y s t e m ss u c ha sm o n i t o r i n gs y s t e m ，r e a l - t i m e e m u l a t i o ns y s t e m ，e l e c t r i cw i r en e t t i n ga d m i n i s t r a t i v es y s t e me t c ，n e e dd i s p l a y i n g p r e s e n ts t a t e sb yw a yo fg r a p h i cp i c t u r ea n dc h a n g i n gs t a t e sa c c o r d i n gt o a c t u a l c o n d i t i o n st r e n d s ，i na d d i t i o n ，t h e yn e e dac e r t a i nm e c h a n i s mt or e a l i z et h et r a n s m i s s i o n a n di s s u eo ft h ei n f o r m a t i o ni ne n t e r p r i s en e t w o r k t h e s ep r o b l e m sa r ed i f f i c u l tt ob e s o l v e df o rt r a d i t i o n a lg r a p h i c se d i t i n gs y s t e m s e t t i n gu pap r o p e rn e t w o r km o d e la n da f u n c t i o nm o d e l ，c o m b i n i n gg r a p h i c se d i t i n ga n dn e t w o r ki s s u ec a l l e x t e n dg r a p h i c s e d i t i n gt e c h n o l o g yt oe n t e r p r i s e sn e t w o r ka p p l i c a t i o n s t h ed r a w i n ga n de d i t i n go fg r a p h i c si nd i f f e r e n tf i e l d sa r en o tt h es a m ea b s o l u t e l y ， b u tt h e yh a v eal o to fc o l n n l o nc h a r a c t e r i s t i c si no p e r a t i o na n ds e t t i n go fa t t r i b u t e s e n h a n c i n gt h ea b i l i t yo fe x p a n s i o na n de x p a n d i n gt h er a n g eo fa p p l i c a t i o nf o rg r a p h i c s e d i t i n gs o f t w a r eh a v eg r e a tm e a n i n g s o n ei m p o r t a n tw a yo fs o l v i n gt h i sp r o b l e mi s a d o p t i n gr e u s e dt e c h n o l o g i e s i nr e s e a r c hp r o c e s s ，b yc o m b i n i n gs o m er e u s e dw a y s t o g e t h e rf r o ms e v e r a ll e v e l ss o f t w a r e s u c ha ss y s t e m a t i cf l a m e ，d e s i g np a t t e r n s ， c o m p o n e n t s ，o b j e c tc o d e s ，e t c ，a n db a s i n go nt h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o dp r i n c i p l e ，a g r a p h i c se d i t i n gs y s t e mw i t hg o o dr e u s a b i l i t yi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d b ys t u d y i n gt h em e t h o d so fc o m m a n dp a t t e r na n dt h e na d i f f e r e n c em a n n e r c h e c k p o i n ta r i t h m e t i ci sb r o u g h tf o r w a r d b u i l d i n g 蛆i n t e g r a t i v em a n a g e rs y s t e mf o ra l l c o n u 丑a n d sc a nr e a l i z eas t r o n gu n d oa n dr e d om e c h a n i s m c o m m a n dp a r e m i so n eo f t h eo b j e c tb e h a v i o r a lp a r e r n s b ye n c a p s u l a t i n gad e s i r ea sa l lo b j e c t ，c o m m a n d p a t t e r nc a nu s ed i f f e r e n td e s i r e st op a r a m e t e r i z eu s e r s ，q u e u ed e s i r e s ，r e g i s t e rl o g sa n d s oo n g r a p h i c se d i t i n gs y s t e mi sas t r o n gm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o ns y s t e ma n di s h 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = ；目；一 d i f f i c u l tf o ru s e r st oc o m p l e t es o m eo p e r a t i o n so n et i m eo n l y ，s ou n d oa n d r e d of u n c t i o n 1 sv e r y i m p o r t a n tf o rt h es y s t e m o f f e r i n gam e c h a n i s mt h a tc a nu n d 0 孤dr e d o o p e r a t i o n st h a th a v e b e e nc a r d e do u ta n da r r i v es o m eo n es y s t e m a t i c s t a t et h a tb e a p p o h a t e da ta n yt i m e ，w h i c hi sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v es y s t e m a t i cf r i e n d s h i dn a t u r e a n ds i m p l i f yt h eo p e r a t i o n sf o rg r a p h i c se d i t i n gs y s t e m k e y w o r d s ：g r a p h i c se d i t i n gt e c h n o l o g i e s ；n e t w o r k o r i e n t e d ；r e u s e ：u n d o r e d o 一一 m 华中科技大学硕士学位论文 1 1 背景 1绪言 随着i n t e r n e t i n t r a n e t 技术的高速发展，企业应用逐渐实现网络化。各种公文的 传递、票据的流转等工作都在计算机和网络上得到了实现。在目前的w e b 应用上， 除了大量的文本数据的传输外，还有很多的图形数据。尤其是现代电力系统的仿真、 调度，包括系统接线图、潮流图、厂站图、分区系统图等，均采用全图形方式显示 及操作。在电力系统的实时监控系统中，需要在系统主接线图上显示潮流数据的变 化情况和系统的运行方式：在模拟仿真培训系统中，需要在系统主接线图上进行模 拟操作，并显示模拟仿真系统的运行状态：在一些专家系统、一次设备管理系统中 也都使用系统主接线图，更加形象地表示出问题描述的对象；在规划设计部门更是 经常需要绘制系统主接线图。在电力系统规划分析计算中也经常要进行网络接线 方式比较，运行方式和故障位置的选择和确认等。这些工作往往都要参照电力系统 网络接线图进行，详细的系统接线图对规划设计人员非常重要i l 。o 】。 在调度系统的各种工作流应用中，需要大量的图形文件随着工作流程的进行而 在w e b 页上传输并且在流程的扭转过程中还需要图形文件的编辑，包括修改、 裁减等。传统的网络图形标准主要有j p e g 、g i f 、p n g 等凡种，这些图形都是非矢 量的，不具备实际应用中的各种放大、缩小、移动等功能。特别是电力系统的电厂 接线图，复杂而又规则，不仅需要高质量的画面，而且要有很多复杂操作，这些要 求是传统网络图形标准所不能提供的，最新的s v g 矢量图形文件是这种应用图形的 最好解决。 现有的图形编辑软件如a u t o c a d 、p r o t e l 、v i s i o 等皆不能充分满足电力系统的 图形应用需求。一则有的图形编辑软件属于通用型，而电力系统使用电力工程师能 接受的标准符号( 本文中称为图元) 表示电力系统各组成部分，图中的图元已被作为 行业标准和国家标准固定下来，每个图元代表的意义基本上是不可改变的。在图形 中，除了要表现图形中各图元的组成和布局外，还要提供图元属性参数的查询， 华中科技大学硕士学位论文 根据具体的实时数据动态变换颜色和形状等功能。由于系统中图形直接面向操作人 员和受训人员，因而要求图形简洁、布局合理、操作性好、界面友好。现有的通用 图形编辑软件满足不了具体的应用，即使在电力系统中，其系统接线图、潮流图、 厂站图、分区系统图等绘制方法不一样，所需要的标准图元也不一样。若为每一应 用设计一个图形编辑软件，无疑会造成人力物力的巨大浪费。另一方面，行业图形 编辑软件与通用图形编辑软件又有着许多共性，它们对一些基本图形的绘制方法是 一致的，只是不同行业图形编辑软件中的图形在某些情况下具有某种特殊的意义。 针对电力系统图形编辑以及其它行业图形编辑大同小异的情况，我们吸收软件 重用的概念，设计一种新型体系的图形编辑软件，以通用为基础，行业应用为特色， 根据不同的应用需求动态选择加载应用模块来满足具体需求。使得图形编辑软件具 有强大的应用特性，可移植性，可扩充性良好，既能满足厂站图、一次接线图、分 区系统图的绘制，又能通过更换图元库，保持软件主体不变，对某些功能模块的动 态链接库二次开发，以软件重用的方式将本软件应用到其它行业中。 1 2 国内外研究概况 国际上有影响的图形编辑系统大致可分为两类：一类发展较早，系统庞大，称 为传统型图形编辑系统：另一类是近几年发展起来的，功能新颖，虽然目前规模较 小，但有较好的发展前景，称为改进型图形编辑系统。这二者并无严格界限，它们 之间在技术上也正在相互渗透，处于共同发展之中。 1 2 1 国内外类似系统研究 传统型的图形编辑系统如c a d d s ，i - d e a s ，c a t i a ，i n t e r g r a p h 等，这些系统 大多数未在数据模式、系统结构、设计思想和用户界面等方面作根本性的改进。从 总体上看，主要存在三方面的问题： 从产品模型定义看。大部分系统不提供产品统一的完整模型，如几何形状、参 数等要由不同系统提供，难与后续环节c a m ( c a p p ) 、质量保证和组织管理等方便集 成，往往需要设计专门接口或进行复杂的数据交换。 从工程设计方法看大多数传统图形编辑系统是几何驱动型，即它只能构造产 2 华中科技大学硕士学位论文 品的最终几何模型。 从用户使用方便程度看。系统菜单布满屏幕，有的深达8 ，9 层，过于烦杂，交 互步骤太频繁。 基于上述原因，近几年来涌现出了新的改进型图形编辑系统，它们不是在原有 系统上改进，而完全是新的设计，有的作为一个核心软件出现，可以与其它图形编 辑软件方便集成，组成系统，有的则作为独立的系统面向市场。代表性的新型图形 编辑系统有v i s i o 、a u t o c a dr 1 4 、p r o e n g i n e e r 等。这些系统的共同特点是： 采用面向对象的数据库管理系统，不仅存储管理集合模型，还可以扩展描述产 品的完整模型：采用国际通用标准化的u n i x 操作系统、x w i n d o w 、p h i g s 等开发 环境，使系统独立于硬件，便于移植到不同机型：在统一环境下处理线宽、曲面、 实体模型：混和使用n u r b s 和解析曲面，几何模型采用准确的边界表示：使用c + + 语言编程【4 j 。 这些特点，基本概括了新一代图形编辑系统的一些共同发展趋势。最具代表性 的v i s i o 系统是一功能强大的图形编辑器，可以绘制网络图、流程图、数据流图、电 气电子图等。它采用了软件重用技术，用面向对象的语言开发，包括一些基本图形 绘制工具和标准件库，对所有应用都提供基本图形绘制工具，而针对不同的应用提 供相应的标准件库。库中预先提供了该行业约定的标准图元器件，一个标准图元为 一个对象，也就是一个类的实例。该系统适用面较广由于每个标准图元对应的是 一个对象，因此每个图元都可以有自己独特的属性和操作，显得比较灵活。另一方 面，由于图元是预先设置好的，不能动态定制，也就限制了图元库的动态扩充。在 v i s i o 庞大的标准图元库中，不可能照顾到各个行业的应用，它没有提供面向电力系 统的图元库这是由v i s i o 标准图元实现机制所形成的必然结果。电力系统潮流图、 厂站图、分区系统图等，具有其独特的特性，在所需的图元与其它行业存在较大的 差异，并且用户更希望将图形编辑系统与其它的应用系统，如保护系统，电力配送 系统，电网监控系统结合在一起以形成一整套电力自动化管理系统。 目前，软件重用有许多观点，可分为系统重用，设计重用，软部件重用等几种 华中科技大学硕士学位论文 当前国内外对软部件重用研究比较深入，这是从软件源程序代码一级来实现软件重 用，而系统重用和设计重用是近些年来才新起的一个领域，它们是从抽象的更高一 层来实现软件重用。现代高级程序语言都提供了自动生成应用程序框架功能，这就 属于系统重用。人们对设计模式深入研究，总结几十年来软件开发的宝贵经验，为 后续应用软件的设计提供强有力的参考准则。软部件重用随着c o m ，c o r b a 等技术 的成熟和面向对象语言的广泛应用显得越来越容易1 。 1 2 2 主要关键技术的研究 本课题的研究主要涉及到软件重用、设计模式、面向对象的设计方法等技术领 域。 1 软件重用及其技术 软件重用，就是使用现存软件系统的人工制品或工程知识来构造新的软件系 统。现存软件制品可以是已存在的软件，也可以是专门设计的可重用构件。能够被 重用的软件制品不仅限于源代码段还包括设计结构、模块级实现结构、规格说明、 文档、变换等。 最理想的重用技术是它的重用产品能够和用户的需求完全一致，不需要用户傲 任何自定义，并且能够无需用户学习就能够被使用。然而，一种重用技术能够适合 今天，可能不适合明天。一个重用产品越是能够被自定义，它越是可能在一个特定 的环境下被使用，但是这也需要用户进行更多的学习研究和实践。 自从软件重用思想产生以来，计算机科学家和软件工程师就致力与软件重用的 技术的研究和实践。在3 0 多年的时间内，出现多种软件重用技术，如：库函数，模 板，面向对象、设计模式、组件、框架、构架。 一般来说软件重用分为框架的重用，设计模式的重用，组件的重用和源代码 的重用等几个层次。通过软件重用，在应用系统开发中可以充分地利用已有的开发成 果，消除了包括分析、设计、编码、测试等在内的许多重复劳动从而提高软件开 发的效率。同时，通过重用高质量的已有开发成果，避免了重新开发可能引入的错 误，从而提高了软件的质量。总结起来重用的优势可归结为：提高生产率、减少维 4 华中科技大学硕士学位论文 护代价、提高互操作性、支持快速原型、减少培训开销。下面将比较几种重用的特 点及其方法【1 2 2 。 ( 1 ) 软件框架的重用 一个应用程序通常是由单个的二进制文件组成的。当编译生成此应用程序后， 在对其进行重新编译之前，应用程序一般不会发生任何变化。对于一个大型的应用程 序来说，如果想更新它，工作量之大是可想而知的。软件构架是对系统整体结构设计 的刻划，包括全局组织与控制结构，构件间通讯、同步和数据访问的协议，设计元素 间的功能分配，物理分布，设计元素集成，伸缩性和性能，设计选择等。软件构架 研究如何快速、可靠地从可重用构件构造系统的方式，着重于软件系统自身的整体 结构和构件问的互联。其中主要包括：软件构架原理和风格，软件构架的描述和规 约，特定领域软件构架，构件向软件构架的集成机制掣2 2 1 。 目前的趋势是用组件来构筑应用程序，随着技术的不断发展用新的组件取代已 有的组件，于是整个应用程序的框架就被重用了。利用这种模式来构筑一个应用程 序，好处非常多，使得对应用程序的维护变得更加容易。如果应用程序需要更新或 升级，只需更换组件，而并不需要重新编译和修改整个应用程序。为了实现程序框架 的重用，有两点必须实现，其一是所有应用程序对组件的调用都必须通过接口来完 成。应用程序并不直接同组件打交道，与组件直接打交道的只能是接口，组件只不 过是接口的实现：其二是接口的不变性。只有这样，接口才可能被一致地使用。实 现了上述两点就实现了一个可重用的程序框架。组件的变化被限制在自身范围内而 不能波及到整个应用程序。而且，由于接口可被一致地定义和使用，可以用任何语言 来开发自己所需要的组件，也就是说组件具有与语言的无关性【2 3 。2 5 】。 ( 2 ) 软构件的重用 随着对软件重用理解的深入，构件的概念已不再局限于源代码构件，而是延伸 到需求、系统和软件的需求规约、系统和软件的构架、文档、测试计划、测试案例 和数据以及其他对开发活动有用的信息，这些信息都可以称为可重用软件构件【2 6 1 。 软构件模型的思想是创建可重用的构件并将其组合到容器中以得到新的软件 华中科技大学硕士学位论文 系统。软构件模型思想可达到重用、高层开发、通过工具进行自动化开发、简化开 发过程等目的。构件就是抽取应用系统中相对稳定的成份，封装了它的设计和实现而 仅向外部提供接口的相对独立的软件实体，是可重用的用以构造其它软件的软件单 元。开发者通过组装已有的构件来开发新的应用系统，从而达到软件重用的目的。 软件构件技术是支持软件重用的核心技术，是近几年来迅速发展并受到高度重视的 一个学科分支( 2 7 2 9 l 。其主要研究内容包括： 构件获取：有目的的构件生产和从已有系统中挖掘提取构件； 构件模型：研究构件的本质特征及构件闻的关系； 构件描述语言：以构件模型为基础，解决构件的精确描述、理解及组装问题： 构件分类与检索：研究构件分类策略、组织模式及检索策略，建立构件库系 统，支持构件的有效管理： 构件复合组装：在构件模型的基础上研究构件组装机制，包括源代码级的组 装和基于构件对象互操作性的运行级组装； 标准化：构件模型的标准化和构件库系统的标准化。 ( 3 ) 设计模式重用 设计重用的思想是在功能设计、原理方案设计、结构方案设计、总体设计的设 计活动中重复使用、引用或参考已有的设计成果进行新产品开发设计的各种观点和 思想。它描述了在我们周围不断重复发生的问题该问题的解决方案的核心和解决 方案实施的上下文。设计模式命名一种技术并且描述它的成本和收益，共享一系列 模式的开发者拥有共同的语言来描述他们的设计。同时设计模式也是构架普通意义 上的同意理解，只不过构架是高层次的系统整体组织，是关于特定技术如何合作组 成一个特定系统的解释【3 叭。 要实现设计重用必须要有可重复利用的对象，传统的计算机辅助设计软件通过 设计脚本和“用户定义特征”的方法定义可重用的对象，但这种方法实现起来很困难， 实际上很少使用。研究可重用的对象必须了解哪些信息可重复利用，应该怎样组织和 6 华中科技大学硕士学位论文 管理 3 1 1 。 ( 4 ) 代码重用 操作系统，各高级语言都自带了一些类库，开发时可以直接引用类库中的功能 函数：此外程序设计中存在各种各样的模板( 如文档模扳，网页模板等) ，模板相 当于工业生产中所用的“模具”，利用这些模板可以比较快速地建立对应的软件产 品。模板把不变的封装在内部，对可能变化的部分提供了通用接口，由使用者来对 这些接口进行设定或实现，这都是源代码的重用。在设计类的同时，应当从重用开始 着手类的实现，类的设计可以使用各种抽象的类【3 2 l 。在类设计期问，必须开发这些类 中的“具体的”对象。一旦确认了某一数据对象是应用软件所需求的就必须把它组织 成类，以便有效地提交所需要的模型。可按照下列次序选择用来产生所需功能的方 法： “原封不动”重用。寻找“原封不动”使用的现存类提供所需要的特性。此时 所需要的类已经存在，现在建立它的一个实例，用以提供所需要的特性。这个实例可 直接为应用软件利用或者它可以用来做另一个类的实现部分。通过重用一个现存类 可得到不加修改就能工作的已测试的代码。由于大多数面向对象语言的两个特性 即界面与实现的分离( 信息隐蔽和封装) ，这种重用一般是成功的。 进化性重用。通常一个能够完全符合要求特性的类可能并不存在但是，如果 具有类似功能的类存在则可以通过继承，由现存的类渐进式地设计新类。如果新类 将要成为一个现存类的子类，它应当继承这个现存类的所有特性。然后新类可以对需 要追加的数据及必需的功能作局部定义。还可以将几个现存类的特性混合起来开发 出新的类，每个现存类是某些概念的模型，混合起来则产生了一个为特定待开发软件 所用的具有多重概念的类。有时一个现存的类可能会提供某些新类中需要的特性以 及某些新类中不需要的特性。因此可先建立一个新的更抽象的类，使之成为要设计 的类的父类，然后，修改现存类以继承新的父类。 “废弃性”开发。印不用任何重用开发一个新类任何一个类，只要它的开发不 涉及现存类就可看作是一个新的继承结构的开始。因此，将建立两种类：一种是抽象 7 华中科技大学硕士学位论文 类，它概括了将要表达的概念；另一种是具体类，它要实现这个概念。虽然不需要使用 现存类来演变成新类，但还是有重用的可能性。在新类的实现时，通过说明一些现存 类的实例，可以加快一个类的实现。象表格、硬件接口等都可以用来作为一个新类的 局部f 3 3 3 引。 2 设计模式的应用 设计模式使设计人员可以更加简单方便地改进或重用以往成功的设计体系结 构。将己被实践证明的技术表示成设计模式也会使新的系统开发者更加容易理解其 设计思路。一般而言，一个模式有四个基本要素： 一是模式名称，用来描述模式的问题、解决方案和效果，设计模式允许在较高 的抽象层次上进行设计。 二是问题，它解释了设计问题和问题存在的前因后果，描述何时使用模式。 三是解决方案，描述一个设计的各个组成成分( 结构) ，以及它们之间的相互关 系及各自的职责和协作方式。 四是效果，描述了模式使用的效果及使用模式应注意的问题。 任意一个需求，总是牵涉到一个或几个特定的问题领域。首先需要理解问题需 求，然后循序渐进地不断找出可能要用到的模式或模式组，从宏观上选择设计模式。 每一种模式总是希望解决某一类软件设计问题，一个模式均有其目的，研究每个模 式的目的，然后找出与实际问题相关的一个或多个模式。同时，很多模式之间总是 相互补充，因此必须研究模式之间的相互关联，弄清设计模式之间的关系，对寻找合 适的模式或模式组具有指导作用。此外，对一个实际问题，必须考虑到设计中那些是 可变的，而这些变化是否会引起系统必须重新设计，然后找出相关的模式以尽量避免 引起重新设计，这是从微观上选择设计模式的方法f 3 5 3 6 1 。通常我们可以按照以下步 骤使用设计模式： ( 1 ) 理解所选择的模式，注意模式的适用条件和模式使用效果，确定该模式是否 适合要解决的实际问题 8 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 研究模式的结构、组成以及它们之间如何协作，这将确保设计人员理解这个 模式的类、对象以及其他的关联关系。 ( 3 ) 选择模式参与者的名字，使它们在具体应用中有意义。 ( 4 ) 定义类，声明它们之间的接口，建立它们的继承关系，定义代表数据和对象引 用的实例变量。 ( 5 ) 定义模式中专用于应用的操作名称，名字一般依赖于应用，使用的名字必须 一致。 ( 6 ) 实现执行模式中责任和协作的操作。 比较以上几种重用方式，如果把软件的构建过程看成是传统的建筑过程，框架 的作用相当于为我们的房屋搭建的“架子”。框架从重用意义上说，是一个介于构 件和构架之间的一个概念。构件，框架和构架三者的主要区别在于对重用的支持程 度的不同： ( 1 ) 构件是基础，也是基于构件开发的最小单元。构件重用包括可重用构件的 制作和利用可重用构件构造新构件或系统。 ( 2 ) 一个框架和构架包含多个构件。这些构件使用统一的框架( 构架) 接口， 使得构造一个应用系统更为容易。 ( 3 ) 框架重用包括代码重用和分析设计重用，一个应用系统可能需要若干个框 架的支撑，从这个意义上来说，框架也是一个“构件”的同时，框架又是一类特定 领域的构架。 ( 4 ) 构架重用不仅包括代码重用和分析设计重用，更重要的是抽象层次更高的 系统级重用。 ( 5 ) 框架和构架的重用层次更高，比构件更为抽象灵活，但也更难学习和使用。 3 面向对象的设计方法 9 华中科技大学硕士学位论文 面向对象( o o ) 技术自出现以来受到广泛关注。面向对象的开发强调从问题域的 概念到软件程序和界面的直接映射，心理学的研究也表明，把客观世界看成是许多对 象更接近人类的自然思维方式，而且对象比函数更稳定。面向对象的开发也支持软件 工程实践中的信息隐藏、数据抽象和封装，并且面向对象开发的软件更易于修改、扩 充和维护。面向对象的开发鼓励重用，包括软件的重用和分析、设计、建模的重用， 借鉴成熟的开发模式可以减小复杂系统所面临的风险【3 7 1 。 传统的结构化方法，包括结构化系统分析、系统设计及程序设计方法，使软件开 发人员从开发软件的立场出发，为提高软件的结构化、模块化及可读性而确立的方法， 是以系统中的数据及对数据进行处理的过程为研究中心的。面向对象技术与传统的 结构化方法有着本质的区别，使我们分析、设计和实现系统的方法同我们认识客观 世界的过程尽可能的一致，是一种以封装了数据和对数据的操作的对象及不同对象 之间的相互关系为中心的【3 8 】。 面向对象的可重用性可以从两个方面理解，方面是指以前设计的系统中的对 象在新系统的设计中的应用；另一方面是指在系统中设计好一个对象后，实际上代 表的是一类事物的集合p 9 1 ，就象c 语言中定义的结构类型一样，可以通过类型说明 定义不同的对象实例。它与结构类型的不同在于对象不仅封装了数据，而且封装了操 作，因此，这里实际上是起到了代码重用的作用 4 0 m 1 。 同时，面向对象技术强调对象结构，而不是程序结构和功能分解。对象是客观存 在的事物，它基本不变，而功能则是相对的使用。随着用户需求的变化，功能以及由功 能分解而得到的程序结构的变化，它与传统的面向功能的软件开发重点完全不同。正 是这一开发重点的转移带来两个巨大的变化：首先是软件的可维护性进一步改善， 因为当需求变化是基于对象结构的软件要改动的内容比传统软件少得多，而且利用 继承可以方便地实现对象类的修改；另一个重要的变化则是把对象作为软件重用的 基本成分，为软件开发的组装方式奠定了基础，不断适应用户与软件开发人员相互熟 悉而引起的软件需求的改变，解决了软件需求带来的问题【4 3 1 。由于面向对象的技术是 根据稳定的对象建立系统模型，因而这些模型往往是稳定的，可很好地适应需求的变 化。正是由于面向对象技术的重用性，大大提高了软件的可移植性和可扩充性l 槔孔l 。 1 0 华中科技大学项士学位论文 有人预测：未来几年内至少7 0 的新应用程序将会由构筑模块( b u i l d i n gb l o c k s ) 构成，这些构筑模块( 如软构件和应用程序框架) 加快了产品的开发速度和企业的 应变能力。以设计模式，框架和商业构件形势出现的软部件可以通过重用显著的提 升开发品质和生产力，重用反过来也可以显著的降低成本和缩短软件开发周期。未 来应用程序的开发依存于一个开放的，便利构件选择和装配的综合体系结构。信息 系统组织必须为基于构件开发制定一项战略。 1 3 课题主要研究工作 本课题研究以设计一个面向网络应用的可重用图形编辑系统为出发点，在 w i n d o w s 系统下，以v i s u a lc + + 6 0 为开发环境，利用设计模式的思想和面向对象的 方法，参考已有的新型图形编辑软件，研究如何利用已有技术使图形编辑系统具有 良好的重用性，使得软件模块化，既可绘制通用的图形，又可根据具体应用领域方 便简洁地定制标准图元利用标准图元作出所需图形并赋予图形以特殊的意义。 另一方面研究如何使图形编辑系统成为一个适应企业网络应用的网络图形支撑系 统。 概括起来包括以下方面： 在软件重用方面，针对图形编辑系统的特点，重点讨论基于软件复用库的软件 重用，包括设计模式、子程序库技术、面向对象的类设计、共享接口设计和嵌套函 数调用等。主要从系统框架、设计模式、代码重用等几个层次来实现系统的重用。 在网络图形编辑系统的设计上通过建立网络模型和功能模型，采用符合标准 蹦l 规范的s v g 格式为图形存储格式以实现图形的网络传递和动态发布。 在图形编辑系统的撤销重做机制的研究方面，采用c o m m a n d 模式的思想，并 提出一种差异式检查点算法为整个系统提供一种对操作过程可完全重现的无缝撤 销重傲机制。 1 3 1 研究目的 综合比较现有的行业专用图形编辑软件，我们不难发现它们在功能和操作方式 华中科技大学硕士学位论文 上存在不少相似之处，但具体的行业又有其自身的特性，于是对图形编辑软件就有 一些特殊的需求。本文尝试设计并实现一种图形编辑系统，使得它既保持通用图形 编辑器通用的优点，又具有良好的扩展性，通过简洁、有效的接口支持不同行业的 专用图形编辑功能，尤其是电力系统的应用。通过图形化的操作界面，提供各类设 备参数的录入、查询和修改，通过关联组件的设置来将图形设备与各种应用功能相 联系，最终做到支持实时数据显示，支持各类应用功能需求，尽可能由用户自己定 制所需功能，功能特性，最大限度的满足企业网内图形应用特别是电力调度系统图 形应用的需要。 1 3 2 预期成果 本课题在设计图形编辑系统时，吸取面向对象的设计方法，从框架结构，实现 机制，代码重用等多个层次上保证系统的可重用，可扩展。 在我们设计的面向电力系统的图形编辑系统中，最终要达到以下目标： 可提供电力系统图形绘制环境，方便绘制各种电力元件，并且提供方便快捷的图 形操作手段如缩放、旋转、拷贝、粘贴、删除、移动及进行成墨操作等。用户能方 便地形成和修改系统接线图。 可以在电力系统图形上通过点击鼠标输入和浏览各种元件的原始参数和状态 参数，还可以将选定的参数贴在图形上，简便实现各类参数的图形化输入和输出。 可以在图形界面上显示新建的发电厂、变电站和输电线路著可在图形上直接选 定和修改这些元件。新建发电厂、变电站和输电线路等的显示颤色可由用户根据习 惯预先定义。 在电力系统图形上直观地分析计算机自动形成的规划目标是否合理，还可以在 图上通过点击元件等简单操作直观地定义和修改系统结 勾和运行方式。 可以在图形界面上直接选中需要进行负荷预测的地区范疆程序将自动进行该 地区相应的负荷预测工作，并可将结果显示在图形上。 保留集成g i s 技术的接口，为将来规划工作提供地理信息背景，把电力系统的电 华中科技大学硕士学位论文 气关系与有关负荷点、电源点的地理位置信息联系起来，便于规划人员综合评价方 案的各方面因素。需要特别指出的是，除图形界面以外，还提供了多模式的人机交互 功能，各种模式间互相关联，保持一致，用户可以方便地在多种模式问自由切换。例 如，用户既能以传统的表格模式输入系统原始参数，又能随时在接线图上通过鼠标 选定元件进行参数的输入和修改，并且表格中数据与图形界面上数据相互关联，随 时保持一致。 1 4 本文内容组织 本文的章节安排如下： 第l 章为绪言，介绍了课题的背景、国内外研究发展概况及主要研究内容： 第2 章对图形系统的网络模型和功能模型进行了详述； 第3 章对基于差异式检查点算法的无缝撤销重做机制进行了分析； 第4 章从可重用因素、数据结构、内外接口等几方面对系统的可重用设计进行 了详细描述； 第5 章对人机界面的设计进行了详细的分折； 第6 章对所作工作进行总结。 华中科技大学硕士学位论文 2 图形编辑系统的网络模型及功能模型分析 一个性能优异的矢量图形编辑系统，不但可以绘制相对完善的图形元素；拥有 相对完善的图形操作功能，如图形的缩放、平移、回溯等；具备相对完善的图形输 入输出功能，如鼠标交互绘制，图形数据交互输入等；具备从打印或绘图设备输出 图形的能力：还应具备与其它图形系统的数据接口。随着网络的飞速发展以及各种 新技术的应用，图形编辑不再仅仅是单机操作，图形的应用也不再局限于静态显示， 系统仿真、实时监控等企业应用需要的是网络化的动态图形支撑系统，以实时的， 直观的反映系统的当前状态。针对图形编辑系统新的应用趋势，本章提出了一个适 应企业网内w e b 图形应用的图形支撑系统模型，并从网络模型和数据组织模型进行 分析，以使得系统具有良好的开发性，可扩充性和可重用性。 面向网络的图形编辑系统模型主要涉及到两个方面，一方面是该图形编辑系统 如何从传统的单机应用拓展到网络应用中来，这涉及到网络中客户端与服务器之间 的互访，图形数据的管理以及网络传输，在本课题中用网络模型来描述：再就是作 为一个图形编辑系统应该完成的对图形的操作和数据处理，这里用功能模型描述。 2 1 图形编辑系统的网络模型 图形编辑系统的网络模型是要建立一种机制，主要解决图形编辑系统在网络上 应用时图形数据如何存锗如何管理，不同的客户端如何及时、有效的获取所需数 据，并对这些数据进行处理等问题p = 1 。 一般来说，网络图形编辑器系统把已经建立的图形信息集中存储于服务器端， 即在服务器端建立一个图形数据库。图形的编辑操作则可以在局域网或广域网的不 同终端( 客户端) 进行。这样，在编辑图形过程中，需要在服务器与客户端进行数据 通信。基于网络的图形信息发布与编辑通常可通过两种方式完成：一种是基于分布 式的c l i e n t s e r v e r 结构；另一种是基于w w w 的b r o w s e r s e r v e r 结构。若采用 c l i e n t s e r v e r 结构，需要建立图形数据服务器，在服务器与客户端之间通过建立 1 4 t 辩：c 帮窜 华中科技大学硕士学位论文 s o c k e t 连接来完成信息传输。c s 方式的一个优点是信息传输效率较高，但是该结 构的每一客户都必须拷贝客户端应用程序副本，即每一台客户端需安装图形编辑系 统客户端软件，这对网络信息发布而言是不利的；采用b r o w s e r s e r v e r 结构，客户端 应用程序则可以通过浏览器自动下载到c l i e n t 端，因此c l i e m 端不保留应用程序副本， 但此结构同样存在不足，图形数据的传输要通过w w w 服务器上的c g i 或其他数据库 的专用w e b 数据存取接口在服务器与数据库之间进行数据存取，然后再由服务器传 送给客户。当传输的数据量增大或访问服务器的客户增多时，系统的性能大大降低。 综合比较上述两种信息发布结构的优缺点，在本课题的研究中，提出了一种基 于数据服务器的信息发布模式，这种模式首先需创建图形数据服务器，图形数据服 务器存储图形及图元库。它负责接收客户对图形数据存取清求，根据请求由服务器 负责存取数据，并最终将结果传给客户。用j a v aa p p l e t 建立客户端应用程序，通过 i n t e r n e t 从指定的w w w 服务器上下载到浏览器端，用客户端应用程序启动图形交互操 作界面，即编辑软件，通过s o c k e t 与数据服务器建立连接，完成存取数据的请求及 接收服务器的存取结果。客户端发布程序调用编辑程序完成对图形或图元的编辑， 结果上传图形数据服务器，由服务器维护，客户端对图库中图形数据的访问由加锁 机制或者同步机制保证同一时刻只有一个客户端可以编辑某一图形。这种结构只需 在服务器端保留一个c l i e n t 鬲0 本，便可完成信息发布的维护，减少了数据传送环节 提高唐息发布效率，同时版本升级时只需更新服务器上的应用程亭。 2 2 图形编辑系统的功能模型 功能模型描述了本系统的功能构件的组织结构、它们之间的关联关系以及支配 系统设计和演变的原则和方针。我们用功能模型来描述图形编辑系统中的所有计算 构件，构件之间的交互、连接件以及如何将构件和连接件结合在一起的约束。按照 系统的应用角度划分，我们可以把图形编辑系统分为编辑功能实现系统和图形应用 系统两个予系统，编辑功能的实现是整个系统的核心，一切应用都建立在编辑功能 系统作用范围的基础上：从实现的角度看我们将图形编辑系统分为应用程序层， 界面层和图形对象层，应用程序层面向的是图形编辑系统的应用领域，界面层是人 机交互的接口，图形对象层则包括了数据的组织结构，编辑、操作功能实现的封装 华中科技大学硕士学位论文 以及提供给应用系统的各种接口。 本系统采用面向对象的系统模型。针对应用软件系统的开放性，曾先后出现了 许多类系统模型，代表了应用软件技术与产业发展的不同阶段。各阶段中有代表性 的系统模型依次为：以数据为中心的系统模型、以执行为中心的系统模型、面向对 象的系统模型、和基于总线的系统模型【5 引。 软件系统的开放性包括数据的开放性、功能的开放性和系统的可扩充性，是否 具各良好的开放性基本取决于系统模型。软件系统的集成性是指通过一致的信息描 述手段和处理机制将各功能子系统统- n 同一个集成环境，集成性的好坏也基本取 决于系统模型。软件系统的效率通常包括系统运行的效率和应用开发的效率。运行 效率是系统运行时的时空复杂度，而应用开发的效率指开发的难易程度和执行效率。 效率大部分取决于系统模型