Introduction of OpenCascade Foundation Classes

Open CASCADE 基礎類簡介

eryar@163.com

一、簡介

1． 基礎類概述 Foundation Classes Overview

本文將對 Open CASCADE 中的基礎類進行介紹及如何使用基礎類。更多信息可訪問其官網： www.opencascade.org/support/training/ 。 基礎類庫提供了一些通用功能，如自動動態內存管理、集合、異常處理、泛型編程和 plug-in 的創建。基礎類庫包含如下內容：

l 基類 (Root Classes) ：主要由包 Standard 和 MMgt 實現；

n 基本數據類型，如： Boolean , Character , Integer , Real ；

n 動態創建對象的安全手柄( Safe Handle )技術，確保未被引用對象自動銷毀；

n 可配置的最優化內存管理提升程序性能；

n 可擴展的運行時類型信息( RTTI )機制為創建復雜程序提供便利；

n 異常的管理( Management of Exceptions )；

n 封裝 C ++的流；

l 字符串 (Strings) ：

n 字符串的類可以處理動態大小的字符數組， ASCII (通常8位的字符)和 UNICODE (16位字符)都支持；字符串是由包 TCollection 實現；

l 集合 (Collections) ：

n 集合就是用來處理大小不固定的數據的類。集合中的類是泛型的，即通用的。當需要使用某種集合時，只需要實例化一種元素類型。

n 集合包含一系列通用的類，如：長度變化的數組、鏈表、棧、隊列、哈希表；

l 標準對象的集合 (Collections of Standard Objects) ：

包 TColStd 提供經常使用的包 TCollection 和 Standard 中類的實例。

l 矢量和矩陣 (Vectors and Matrices) ：

這些類提供矢量和矩陣常用的數學算法和基本計算，如：加、乘、轉置、變換等；

l 基本幾何元素 (Primitive Geometric Types) ：

Open CASCADE 基本幾何圖元類型和代數實體是 STEP 格式兼容的；功能如下：

n 初等幾何形狀的描述：

1. 點 Points ；

2. 矢量 Vectors ；

3. 線 Lines ；

4. 圓和二次曲線 Circles and Conics ;

5. 平面和初等曲面 Planes and elementary surfaces ；

n 通過軸 axis 或坐標系統在空間中或平面上放置這些形狀；

n 為這些形狀定義和應用幾何變換：

1. 平移 Translations ;

2. 旋轉 Rotations ;

3. 鏡像 Symmetries ;

4. 縮放變形 Scaling transformations ;

5. 組合變形 Composed transformations ;

n 代數計算工具(坐標和矩陣)；

l 通用的數學算法 (Common Math Algorithms) ：

Open CASCADE 通用數學算法庫提供最常用的數學算法的 C ++實現，包含：

l 線性代數方程組的求解；

l 單變量或多變量的函數的極小值的求解；

l 非線性方程（組）的求根；

l 矩陣特征值的求解；

l 異常處理 (Exceptions) ：

提供了常用異常類的層次，都繼承自 Failure 。異常描述的是程序運行時出現的意外情況。通常情況下，程序遇到異常是會退出的。程序對異常情況的處理就叫做異常處理。

l 量度 (Quantities) ：

OCCT 中有各式各樣的類來支持日期和時間信息，及對大多數物理量的表示，如長度( length )、面積( area )、體積( volume )、密度( density )、質量( mass )、重量( weight )、溫度( temperature )、壓力( pressure )等。

l 程序服務 (Application Services) ：

基礎類庫也包含用于創建自定義和用戶友好的 Open CASCADE 程序的幾個低級功能。如：

n 單位轉換工具：提供統一的機制來處理量及其相關的物理單位，檢查單位的兼容性，在不同的單位制之間轉換。具體可參考包 UnitsAPI 。

n 表達式的基本解釋器，為自定義腳本工具的創建提供條件，表達式的通用定義等。具體可參考包 ExprIntrp 。

n 處理配置資源文件的工具，具體可參考包 Resource ；自定義消息文件，具體參考包 Message ；這些工具使程序對多種語言的支持變得容易。

n 進程標示器和用戶中斷接口，使低級算法以統一和便利的方式與用戶交互成為可能。

以上的具體內容將會在后面詳細介紹，并根據功能編寫簡單程序以示其用法。關于基礎類更具體的描述請參考： Foundation Classes Reference Manual 。

2． 基本概念 Fundamental Concepts

使用面向對象編程語言組成的系統通常是以數據類型為中心而不是以作用于數據的操作為中心。在這種情況下，一個對象就是一種數據類型的實例，每種數據類型由一個或多個其他類來實現，即使用對象組合。在 Open CASCADE 中類通常由 CDL ( CASCADE Definition Language )來定義，這就確保了所有類的實現都很相似，關于 CDL 可參考《 CDL 用戶指南》。本章介紹的基本概念大多是由 CDL 直接支持的，不僅在基礎類中使用，而且將會貫穿整個 Open CASCADE 的庫中。

2．1 模塊和工具箱 Modules and Toolkits

整個 Open CASCADE 庫由一系列的模塊( Module )組成。本文講述的正是這些模塊中的第一個：基礎類( Foundation Classes )，這個模塊提供的是一些基本功能，也被其他所有模塊所用。每個模塊包含一個或幾個工具箱( Toolkits )。從物理上來講，一個工具箱就是一個共享的庫( shared library )。一個工具箱由一個或幾個包( package )生成。

即在 Open CASCADE 中，模塊由工具箱組成，工具箱由包組成，每個包就是由相應的類來實現相應的功能。理解它的組織結構，對編程還是很大幫助的，不會對其龐大的源文件所嚇到，可以有的放矢。

打開 Open CASCADE Reference Documentation ，可以看到 OCCT 包含以下幾個模塊：

打開基礎庫模塊，其由以下工具箱組成，如圖所示：

打開 Toolkit TKernel 工具箱，其由以下包組成，如圖所示：

這種組織結構在其文檔中表現得已經很清晰了。經常查看此幫助文檔，一般的內容基本可以查到。

2．2 包 Packages

包是由在語義上相近的一些類組成。如幾何包( Geometry package )可能包含點、線、圓的類。包也可包含枚舉類型、異常和包的方法函數。實際上，類名前會加上包的名字，如： Geom _ Circle 。包中描述的數據可能包含一些以下數據類型：

l Enumerations ;

l Object classes ;

l Exceptions ;

l Pointers to other object classes ;

包中兩種數據類型不能是相同的名字。包的組成如下圖所示：

方法( Methods )既可以是函數( Functions )，也可以是過程( Procedures )。函數返回一個對象，而過程只處理傳遞的參數。方法分以下三種情況：

l 對象構造函數( Object Constructor )：創建類的一個實例。類可能有一個或多個構造函數，即通過參數的不同來重載了構造函數。

l 實例方法( Instance method )：操作作用于它屬于的實例；即類中普通函數；

l 類方法( Class Method )：可以直接使用類名來操作的方法，即類中的靜態函數；

2．3 類 Classes

面向對象的軟件開發最基礎的部件就是類。類是數據類型( Data Type )的一種實現。通過函數定義其行為( Behavior )，通過類的數據來定義其表現( Representation )。類分為以下三類：

l 普通類 Ordinary Classes ;

l 滯后類 Deferred Classes ;

l 泛型類 Generic Classes ;

滯后類( Deferred Classes )不能被實例化，即是含有純虛函數的抽象類。使用這種類的目的是使派生自這個類的所子類共享行為并由子類來實現具體的行為。 C ++中與 CDL 的滯后類( Deferred Class )等效的類就是抽象類( Abstract Class )。

泛型類( Generic Class )為操作其他數據類型提供一些基本函數。對泛型類的實例化需要將數據類型作為參數傳遞之。 C ++中與 CDL 中泛型類功能相同的就是模板( Template )。

2．4 泛型 Genericity

泛型的實現分兩步。首先，聲明泛型類創建模型；然后，通過指定泛型的類型來實例化類。

l 聲明泛型類( Declaring a Generic Class )： Open CASCADE 中的泛型類與 C ++中帶顯式實例化的模板的意圖類似。泛型類在當要操作不固定類型的數據元素時在 CDL 中聲明，聲明其作為泛型類的參數。可以對這些泛型類作些約束，使其成為已經定義的類的子類。定義泛型類并沒創建 C ++中新的類，只是為生成實際的類定義了一種模式。

l 實例化泛型類( Instantiation of a Generic Class )：當泛型類實例化時，參數類型會被真實的類型替換。實例化的結果是創建了一個名字任意的新的 C ++類。通常這樣約定，實例化的類名由泛型類名和真實類型名組成。如：

聲明位于包 TColStd 中一個 CDL 文件定義了一個新的 C ++類 TColStd _ Array 1 OfReal 作為泛型類 TCollection _ Array 1將實型作為其實例參數的類。泛型類也不允許繼承。泛型類也可作為滯后類。泛型類也可將滯后類作為其實例化的參數。

l 泛型類的嵌套( Nested Generic Classes )：

2．5 繼承 Inheritance

繼承的目的是為了減輕開發的勞動量。繼承機制從已經存在的類創建新的類，并保留原來類的一些特性。如：已經開發了個 BankAccount ，可以通過繼承很快得到新的類： SavingsAccount , LongTermDepositAccount , MoneyMarketAccount , RevolvingCreditAccount , 等……

2．6 數據類型的分類 Categories of Data Types

Open CASCADE 中數據分為兩大類：

l 由手柄( Handle )控制的數據類型； Data types manipulated by Handle ( or Reference );

l 由值( Value )控制的數據類型； Data types manipulated by Value ;

數據類型是由類來實現的。類不僅定義其數據和實例可用的方法，還對其對象的實例化提供建議。由值控制的變量類型包含自己的實例，由手柄控制的變量包含實例的引用。由值控制的變量類型是預定義的原子類型，如：布爾型、字符型、整型、實型等……由手柄控制的類，當其未賦值時其值為 null ，通過構造函數來實例化。如：

在 Open CASCADE 中，手柄是特定的類用來安全地釋放動態內存，提供引用計數機制和自動銷毀未被引用的對象。這也是智能指針。

2．7 異常 Exceptions

任何對象的行為都是由方法來實現的。這些方法的定義不僅包含其聲明，而且還有其作用域( domain )的驗證。 Domain 由異常來表示。在上出錯的情況下異常就出現了。這種機制確保了軟件產品的質量。

2．8 持久性和數據模式 Persistence and Data Schema

數據模式就是程序用來存儲數據的結構。數據模式由持久性類構成。稱為持久性的對象可以被永久保存。因此，這些對象可以重復利用。為了在 CDL 中使用持久性對象，它必須繼承自類 Standard _ Persistent ，或其父類繼承自 Standard _ Persistent 。注意繼承自類 Standard _ Persistent 的類是由引用控制的。繼承自類 Standard _ Storable 的實例化對象不能自己保存，但是可作為由類 Standard _ Persistent 的一部分保存。因為派生自類 Standard _ Storable 的類是由值控制的。

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結論

本文由 Foundation Classes User’s Guide 翻譯而得，若有錯誤請指證。

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eryar@163.com

Pudong Shanghai China

2012-08-19

Introduction of OpenCascade Foundation Classes